SiC賦能更為智能的半導體制造/工藝電源

SiC 賦能更為智能的

半導體制造/工藝電源

半導體器件的制造流程包含數(shù)個截然不同的精密步驟。無論是前道工藝還是后道工藝，半導體制造設備的電源都非常重要。與基于硅的電源模塊相比，使用碳化硅（SiC）的電源具有更為出色的功率密度、可靠性和設計靈活性等優(yōu)勢，因此工程師們認為 SiC 在此前未曾運用過的應用中擁有一系列優(yōu)勢。

功率密度和靈活性便是 Wolfspeed 和 Astrodyne TDI（ATDI）合作的原因，雙方一同挖掘 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢，以滿足現(xiàn)代半導體制造/工藝設備的多種電源需求。我們攜手使用 SiC 器件實現(xiàn)更高的功率密度，尤其是 ATDI 的新型 Kodiak 電源平臺，其功率密度高達 40 W/in3。此外，Wolfspeed 具有開發(fā)穩(wěn)定 SiC 解決方案的悠久歷史，能夠幫助 ATDI 提供性能更出色的功率轉(zhuǎn)換器，反之亦可幫助客戶提升工藝控制水平。

電源是端到端的需求

涉及半導體制造/工藝的多種設備都需要電源。

其中一個關(guān)鍵領(lǐng)域是測試。半導體設備制造工藝會將硅轉(zhuǎn)化為較薄的晶圓，其中包含細小的功能電路，然后晶圓被切割成一個個的芯片，也叫做晶粒。每一個集成電路芯片在切割之前都要進行測試，包括高溫測試，以確保其能夠在特定的標定條件下正常工作。電源在此流程中非常重要，其功率等級會非常高，而噪聲等級需要非常低。

電源在離子注入工藝中極為重要，這一工藝涉及到將特定元素的離子注入到材料中，以改變或重塑其特性。注入工藝也叫做“半導體摻雜”，涉及到硼、磷或砷離子等摻雜劑，這一工藝會引入雜質(zhì)，從而調(diào)整器件的電子特性。注入工藝要想取得成功，需要由設備射出高能電子束，此類設備必須擁有可靠的電源，才能夠既射出電子束，又能使用電磁鐵引導離子束并將其集中。

半導體制造工藝中的蝕刻和沉積設備也需要可靠的電源。濕式蝕刻和干式蝕刻都會將晶圓轉(zhuǎn)化成互聯(lián)電路和其他關(guān)鍵元件。蝕刻工藝使用光刻技術(shù)來移除多余的物質(zhì)，僅留下復雜的電路圖形。穩(wěn)定的電源對于沉積來說也非常重要，這一工藝流程涉及到蒸鍍或濺射技術(shù)，目的為形成多層金屬層，從而形成單元之間的電氣連接，其會保持沉積物質(zhì)的均勻性，從而打造均勻的金屬層。

這些設備中利用的很多功率轉(zhuǎn)換器都是半導體制造工藝中不可或缺的一部分，其中轉(zhuǎn)換器不僅僅需要能提供穩(wěn)定的電壓。還可能需要電源以高水平的精度來動態(tài)控制輸送的功率或電流。一般情況下，很多電源都利用交流頻率轉(zhuǎn)換器，這是因為其能夠配置為適應世界各地晶圓廠中電壓范圍在 100 V 到 480 V 之間的多種不同交流電壓。SiC 技術(shù)的出現(xiàn)使得這些應用使用高頻開關(guān)（HFSM）轉(zhuǎn)換器提供電源成為可能，其在性能和功率密度方面有顯著的優(yōu)勢。

所有這些工藝都能從盡可能貼近實際設備、更高密度的電源中獲益；各工藝之間從本質(zhì)上變得更為緊密，其精確度更出色、復雜程度更低、工藝時間減少，這意味著上市時間更快。很多廠商需要為半導體制造設備搭建電源模塊，而利用 SiC 技術(shù)的 HFSM 電源能夠為這些廠商帶來更出色的靈活性。

功率密度和靈活性之間的良好平衡

ATDI 在其電源上使用第二代 SiC 器件已近十年，在 Kodiak 平臺上已遷移到了第三代器件，這是一款標準的構(gòu)建模塊，可集成在多種定制方案中。

ATDI 采用新型 SiC 技術(shù)，提高了功率密度，能夠為客戶解決較為復雜的問題。Kodiak 產(chǎn)品中的 SiC MOSFET 和相關(guān)的體二極管具備較低的損耗，達到了行業(yè)前沿的 40 W/in3 的功率密度，實現(xiàn)了可供選擇的高效率和靈活的功率拓撲。

除了高功率密度外，Kodiak 還兼容全球各地的交流電源，并能夠高度準確地控制傳輸?shù)碾妷骸㈦娏骱凸β?。下圖所示的功率拓撲利用了三相功率因數(shù)校正 AC/DC 級和一個移相全橋（PSFB）隔離型 DC/DC 級。AC/DC 級可以在寬泛的輸入電壓和頻率中運行，設備制造商在全球內(nèi)只需利用兩種不同的模式。此外，DC/DC 級配有 PSFB，與諧振轉(zhuǎn)換器相比，其能夠控制更為寬泛的輸出電壓和功率等級。采用傳統(tǒng)的硅 MOSFET 或 IGBT 實施這兩種拓撲不切實際，但是 Wolfspeed SiC MOSFET 卻能夠應對這些挑戰(zhàn)。

讓電源更靠近工藝

體積更小、更緊湊的功率轉(zhuǎn)換器能夠為半導體制造設備制造商帶來優(yōu)勢。高功率密度可以讓制造商將電源配置在靠近設備和實際工藝的區(qū)域，這能夠提高工藝穩(wěn)定性和可重復性。然而，將功率轉(zhuǎn)換器配置在設備附近也會帶來一系列亟需解決的問題。也許最具挑戰(zhàn)性的問題便是轉(zhuǎn)換器冷卻問題，由于無塵室內(nèi)禁止使用強制風冷，這使得這一問題變得更為復雜。多年以來，ATDI 一直在提供高效液冷轉(zhuǎn)換器，專為解決此類問題，同時還通過取消風扇的方式提高了可靠性。

****▲ Wolfspeed 新型第三代 C3M? 碳化硅使得 ATDI Kodiak 平臺成為標準的構(gòu)件模塊，額定功率達 6 kW，能夠支持對能源需求不斷增長的高能耗半導體制造應用，諸如電子加熱、電子束導向、以及半導體測試等。

Wolfspeed SiC 技術(shù)具備相當快的開關(guān)速度，搭配較低的傳導損耗，為 ATDI 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了高開關(guān)頻率設計，可在較大范圍內(nèi)的直流電源下運行。此外，Wolfspeed 的封裝技術(shù)為 Kodiak 平臺促成了行業(yè)前沿的液冷設計拓撲。

ATDI 的 Kodiak 平臺是 ATDI 和 Wolfspeed 緊密合作的成果。ATDI 的液冷 Kodiak 平臺并未簡單地采用現(xiàn)有的硅設計然后將其轉(zhuǎn)化為 SiC，其從設計初始便使用 SiC 進行優(yōu)化，能夠盡可能提高功率密度，優(yōu)化整體尺寸。Kodiak 適用于高功率 DC 系統(tǒng)，尤其適用于需要自動分載、在較寬泛的 DC 電壓范圍內(nèi)運行、國際電源輸入以及高效、可靠性出色、尺寸緊湊、易于維護等特性的工業(yè)應用。

通過更為高效的冷卻方式降低復雜性、提升可靠性，這是 Kodiak 脫穎而出的關(guān)鍵因素。工業(yè)制程、數(shù)據(jù)處理和通訊網(wǎng)絡對電源的要求不斷提高，這些應用迫切需要經(jīng)濟、可靠的液冷功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。ATDI 的 Kodiak 便是一種可靠的構(gòu)建模塊，能夠滿足這些需求。

▲ ATDI SiC Kodiak 電源平臺是高功率 DC 系統(tǒng)的理想選擇，尤其適用于工業(yè)應用。

總之，智能冷卻、更出色的開關(guān)頻率、更緊湊的尺寸三大優(yōu)勢相互結(jié)合，提高了半導體制造設備功率轉(zhuǎn)換器的靈活性，這是由于電源能夠更為接近工藝本身。通過縮短距離，精度得以顯著提高，這反過來直接對制程性能產(chǎn)生了積極影響。

SiC基電源解決方案可實現(xiàn)出色功率密度和靈活性

ATDI 具有多種型號，提供完全可調(diào)整的輸出并具備多種控制模式，還具備卓越的應用靈活性，能夠減少半導體制造行業(yè)的產(chǎn)品上市時間。ATDI 充分發(fā)揮了 SiC 在功率密度、可靠性、輸出和設計靈活性等方面的優(yōu)勢，將其應用在了此前未曾運用過的領(lǐng)域中，能夠為半導體制造的前道工藝和后道工藝提供極為重要的功率轉(zhuǎn)換器。