실리콘 기반 전력 반도체와 비교하여 SiC(실리콘 카바이드) 전력 반도체는 스위칭 주파수, 손실, 방열, 소형화 등 측면에서 상당한 이점을 가지고 있습니다.
테슬라가 실리콘 카바이드 인버터를 대량 생산함에 따라, 더 많은 회사들이 실리콘 카바이드 제품을 공급하기 시작했습니다.
SiC는 정말 "놀랍습니다". 도대체 어떻게 만들어진 걸까요? 지금은 어떤 용도로 쓰일까요? 한번 알아볼까요!
01 ☆ SiC의 탄생
다른 전력 반도체와 마찬가지로 SiC-MOSFET 산업 체인에는 다음이 포함됩니다.긴 결정-기판-에피택시-설계-제조-패키징 링크.
긴 결정
긴 결정 링크 동안, 단결정 실리콘에 사용되는 티라법의 제조와 달리, 실리콘 카바이드는 주로 물리적 가스 수송법(PVT, 개량된 Lly 또는 종자 결정 승화법이라고도 함), 고온 화학 가스 증착법(HTCVD)을 보완으로 채택합니다.
☆ 코어 스텝
1. 탄소 고체 원료;
2. 가열 후, 탄화물 고체는 기체가 됩니다.
3. 가스가 종자 결정 표면으로 이동합니다.
4. 가스는 종자 결정의 표면에서 성장하여 결정이 됩니다.
사진 출처: “PVT 성장 실리콘 카바이드 분해 기술 포인트”
실리콘 베이스에 비해 다른 제작 기술로 인해 두 가지 주요 단점이 발생했습니다.
첫째, 생산이 어렵고 수확량이 낮습니다.탄소 기반 기체 상태의 온도는 2300°C 이상으로 상승하고 압력은 350MPa입니다. 전체 암실이 작동하며 불순물과 쉽게 혼합됩니다. 수율은 실리콘 기반보다 낮습니다. 직경이 클수록 수율이 낮아집니다.
두 번째는 성장이 느리다는 것입니다.PVT법의 거버넌스는 매우 느리며, 속도는 약 0.3~0.5mm/h이고 7일 만에 2cm까지 자랄 수 있습니다. 최대 3~5cm까지만 자랄 수 있으며, 결정 잉곳의 직경은 대부분 4인치와 6인치입니다.
실리콘 기반 72H는 높이가 2~3m까지 자랄 수 있으며, 직경은 대부분 6인치이고 12인치의 경우 8인치의 신규 생산 용량이 있습니다.따라서 탄화규소는 종종 결정괴라고 불리며, 실리콘은 결정막대가 됩니다.
카바이드 실리콘 결정 잉곳
기판
긴 결정이 완성되면 기판의 생산 공정으로 들어갑니다.
목표 절단, 연삭(거친 연삭, 미세 연삭), 연마(기계적 연마), 초정밀 연마(화학적 기계적 연마)를 거쳐 실리콘 카바이드 기판이 얻어진다.
기판은 주로 다음과 같은 역할을 합니다.물리적 지지, 열전도도 및 전도도의 역할.가공의 어려움은 탄화규소 소재가 고온, 고경도, 안정된 화학적 특성을 가지고 있다는 점입니다. 따라서 기존의 실리콘 기반 가공 방법은 탄화규소 기판에 적합하지 않습니다.
절삭효과의 품질은 실리콘 카바이드 제품의 성능과 이용효율(원가)에 직접 영향을 미치므로 소형, 균일한 두께, 낮은 절삭성이 요구됩니다.
현재,4인치와 6인치는 주로 멀티라인 절단장비를 사용하는데,실리콘 결정을 두께가 1mm를 넘지 않는 얇은 조각으로 자릅니다.
다중 라인 절단 개략도
앞으로 탄화실리콘 웨이퍼의 대형화에 따라 재료 활용 요구도 증가할 것이며, 레이저 슬라이싱, 저온 분리 등의 기술도 점차 적용될 것입니다.
2018년 인피니언은 콜드 크래킹이라는 혁신적인 공정을 개발한 Siltectra GmbH를 인수했습니다.
기존의 멀티와이어 절단 공정과 비교했을 때 손실이 1/4에 불과합니다.냉간 분해 공정에서는 실리콘 카바이드 재료의 1/8만 손실되었습니다.
확대
탄화규소 소재는 기판 위에 직접 전력소자를 만들 수 없기 때문에 확장층에 다양한 소자가 필요합니다.
따라서 기판 제작이 완료된 후, 신장 공정을 통해 기판 위에 특정 단결정 박막이 성장된다.
현재는 화학가스증착법(CVD) 공정이 주로 사용되고 있다.
설계
기판이 만들어진 후에는 제품 설계 단계로 들어갑니다.
MOSFET의 경우 설계 과정의 초점은 홈의 설계입니다.한편으로는 특허 침해를 피하기 위해(인피니언, 로옴, ST 등은 특허 레이아웃을 보유하고 있음) 한편,제조 가능성과 제조 비용을 충족합니다.
웨이퍼 제조
제품 설계가 완료되면 웨이퍼 제조 단계로 진입합니다.그리고 그 과정은 실리콘의 과정과 거의 비슷한데, 실리콘은 주로 다음의 5단계로 구성됩니다.
☆1단계 : 마스크 주입
실리콘산화물(SiO2)막을 한 겹 만들고, 포토레지스트를 도포한 후, 균질화, 노광, 현상 등의 단계를 거쳐 포토레지스트 패턴을 형성하고, 에칭 공정을 통해 형상을 산화막에 전사한다.
☆2단계: 이온 주입
마스크 처리된 실리콘 카바이드 웨이퍼를 이온 주입기에 넣고, 알루미늄 이온을 주입하여 P형 도핑 영역을 형성한 후, 어닐링하여 주입된 알루미늄 이온을 활성화합니다.
산화막을 제거하고, P형 도핑 영역의 특정 영역에 질소 이온을 주입하여 드레인과 소스의 N형 전도성 영역을 형성하고, 주입된 질소 이온을 어닐링하여 활성화시킨다.
☆3단계: 그리드 만들기
그리드를 만듭니다. 소스와 드레인 사이 영역에 고온 산화 공정을 통해 게이트 산화막을 형성하고, 게이트 전극막을 증착하여 게이트 제어 구조를 형성합니다.
☆4단계: 패시베이션층 만들기
패시베이션 층을 형성합니다. 전극간 절연 파괴를 방지하기 위해 절연 특성이 좋은 패시베이션 층을 증착합니다.
☆5단계: 드레인-소스 전극 만들기
드레인과 소스를 만듭니다. 패시베이션 층에 구멍을 뚫고 금속을 스퍼터링하여 드레인과 소스를 형성합니다.
사진 출처: Xinxi Capital
실리콘 카바이드 소재의 특성상 공정 수준과 실리콘 기반 사이에는 큰 차이가 없지만,이온 주입 및 어닐링은 고온 환경에서 수행되어야 합니다.(최대 1600°C) 고온은 재료 자체의 격자 구조에 영향을 미치고, 난이도는 수율에도 영향을 미칩니다.
또한 MOSFET 부품의 경우,게이트 산소의 품질은 채널 이동성과 게이트 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다.실리콘 카바이드 재료에는 두 종류의 실리콘과 탄소 원자가 있기 때문입니다.
따라서 특수한 게이트 매체 성장 방법이 필요합니다(또 다른 점은 실리콘 카바이드 시트가 투명하고, 포토리소그래피 단계에서 실리콘의 위치 정렬이 어렵다는 점입니다).
웨이퍼 제조가 완료되면 개별 칩을 베어칩으로 절단하여 용도에 맞게 패키징합니다. 개별 소자의 일반적인 공정은 TO 패키징입니다.
TO-247 패키지의 650V CoolSiC™ MOSFET
사진: 인피니언
자동차 분야는 높은 전력과 방열 요구 사항을 가지고 있으며, 때로는 브리지 회로(하프 브리지 또는 풀 브리지, 또는 다이오드와 직접 패키징)를 직접 구축해야 합니다.
따라서 모듈이나 시스템에 직접 패키징되는 경우가 많습니다. 단일 모듈에 패키징되는 칩 수에 따라 일반적인 형태는 1 in 1(BorgWarner), 6 in 1(Infineon) 등이며, 일부 회사에서는 단일 튜브 병렬 방식을 사용합니다.
보그워너 바이퍼
양면 수냉 및 SiC-MOSFET 지원
Infineon CoolSiC™ MOSFET 모듈
실리콘과 달리,탄화규소 모듈은 약 200°C의 더 높은 온도에서 작동합니다.
기존의 연성 솔더는 용융점이 낮아 온도 요건을 충족할 수 없습니다. 따라서 탄화규소 모듈은 저온 은소결 용접 공정을 사용하는 경우가 많습니다.
모듈이 완성되면 부품 시스템에 적용할 수 있습니다.
테슬라 모델3 모터 컨트롤러
베어칩은 ST에서 자체 개발한 패키지와 전기 구동 시스템으로 구성
☆02 SiC의 적용 현황은?
자동차 분야에서는 전력소자가 주로 사용됩니다.DCDC, OBC, 모터인버터, 전기에어컨인버터, 무선충전 등 부품AC/DC 빠른 변환이 필요합니다(DCDC는 주로 빠른 스위치 역할을 합니다).
사진: 보그워너
실리콘 기반 소재에 비해 SIC 소재는 더 높은임계 눈사태 파괴 자기장 강도(3×106V/cm),더 나은 열전도도(49W/mK) 및더 넓은 밴드갭(3.26eV).
밴드갭이 넓을수록 누설 전류가 작아지고 효율이 높아집니다. 열전도도가 좋을수록 전류 밀도가 높아집니다. 임계 애벌랜치 항복 전계가 강할수록 소자의 전압 저항이 향상될 수 있습니다.
따라서 온보드 고전압 분야에서는 기존 실리콘 기반 IGBT와 FRD 조합을 대체하기 위해 실리콘 카바이드 소재로 제작된 MOSFET과 SBD가 전력과 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.특히 고주파 응용 분야에서 스위칭 손실을 줄이는 데 유용합니다.
현재로서는 모터 인버터에서 대규모 적용이 가장 가능성이 높고, 그 다음으로 OBC, DCDC 순으로 적용될 가능성이 높습니다.
800V 전압 플랫폼
800V 전압 플랫폼에서 고주파의 이점은 기업들이 SiC-MOSFET 솔루션을 선택하는 경향을 더욱 강화합니다. 따라서 현재 대부분의 800V 전자 제어 설계는 SiC-MOSFET를 기반으로 합니다.
플랫폼 수준 계획에는 다음이 포함됩니다.현대식 E-GMP, GM 오테너지 - 픽업트럭 분야, 포르쉐 PPE, 테슬라 EPA.SiC-MOSFET를 명시적으로 탑재하지 않은 포르쉐 PPE 플랫폼 모델(첫 번째 모델은 실리카 기반 IGBT)을 제외하고 다른 차량 플랫폼은 SiC-MOSFET 방식을 채택합니다.
유니버설 울트라 에너지 플랫폼
800V 모델 계획이 더 많습니다.그레이트월 살롱 브랜드 지아지롱, 베이치 폴 폭스 S HI 버전, 이상형 자동차 S01 및 W01, 샤오펑 G9, BMW NK1창안 아비타 E11은 800V 플랫폼을 탑재할 것이라고 밝혔으며, BYD, 란투, 광저우, 메르세데스-벤츠, 제로 런, FAW 레드 플래그, 폭스바겐 등도 800V 기술을 연구 중이라고 밝혔다.
Tier1 공급업체가 받은 800V 주문 상황에서,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics 및 Huichuan모든 800V 전기 구동 장치 주문이 발표되었습니다.
400V 전압 플랫폼
400V 전압 플랫폼에서 SiC-MOSFET는 주로 고전력 및 전력 밀도와 고효율을 고려합니다.
현재 양산 중인 테슬라 모델 3\Y 모터처럼, BYD 한후 모터의 최대 출력은 약 200Kw(테슬라 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw)이며, NIO도 ET7과 추후 출시될 ET5부터 SiC-MOSFET 제품을 사용할 예정입니다. 최대 출력은 240Kw(ET5는 210Kw)입니다.
또한, 고효율의 관점에서 일부 기업은 보조 플러딩 SiC-MOSFET 제품의 실현 가능성도 모색하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 7월 8일
