王云飛，付毅峰，高志廷

（1.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院智能工程學(xué)院，河南鄭州 451191；2.北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 100081）

0 引言

傳統(tǒng)汽車(chē)排放大量含硫化物、氮化物的廢氣，與建立“環(huán)保友好型社會(huì)”的目標(biāo)背道而馳。同時(shí)，隨著石油、煤炭資源的枯竭，新能源汽車(chē)越來(lái)越受到人們的重視。很多新技術(shù)應(yīng)用在新能源汽車(chē)制造之中，在這些技術(shù)領(lǐng)域中，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）在新能源汽車(chē)中的作用尤為突出。

IGBT 主要應(yīng)用于新能源汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)、充電樁、車(chē)載空調(diào)設(shè)施系統(tǒng)，是新能源汽車(chē)的核心部件。在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)中，IGBT 將動(dòng)力電池的直流電逆變成交流電，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換[1]。在充電樁技術(shù)中，IGBT 主要應(yīng)用于直流快速充電樁，將三相交流電整流調(diào)壓成電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充電所需的直流電，為電動(dòng)汽車(chē)的電池充電。在車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)中，DC/AC 逆變功能也是由IGBT 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

IGBT 作為系能源汽車(chē)的核心部件，一直由西歐、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家控制，德國(guó)英飛凌、瑞士ABB、日本三菱3 家公司占據(jù)IGBT 市場(chǎng)的大部分份額。此3 家公司起步早、研發(fā)投大量，在原材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及設(shè)備制造上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1 市場(chǎng)現(xiàn)狀

新能源汽車(chē)中功率半導(dǎo)體器件的價(jià)值約為傳統(tǒng)燃油車(chē)的5倍以上，其中IGBT 占新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)成本的37%。2022年前11 個(gè)月，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量中，比亞迪占有率達(dá)到36.4%，達(dá)21.76 萬(wàn)輛，是特斯拉中國(guó)的3 倍。在全球市場(chǎng)上，比亞迪的銷(xiāo)量也達(dá)到了特斯拉的3/4。

我國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，對(duì)IGBT 需求量大。從“十五”計(jì)劃開(kāi)始，國(guó)家就將IGBT 作為亟待攻克的16 項(xiàng)項(xiàng)尖端科技項(xiàng)目之一[2]。早在2009 年，比亞迪IGBT 就通過(guò)了中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電子電力分會(huì)組織的科技成果鑒定，標(biāo)志著中國(guó)在IGBT 芯片技術(shù)上實(shí)現(xiàn)零的突破，打破了國(guó)際巨頭的技術(shù)壟斷。經(jīng)過(guò)多年技術(shù)積累，比亞迪IGBT 不斷迭代，從1.0 邁入到4.0 時(shí)代，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)唯一擁有IGBT 全產(chǎn)業(yè)鏈的車(chē)企。

在工藝指標(biāo)上，比亞迪IGBT 4.0 有長(zhǎng)足進(jìn)步，例如針對(duì)大規(guī)模應(yīng)用于1200 V 車(chē)規(guī)級(jí)IGBT 的晶圓，厚度已減薄到120 μm。比亞迪IGBT 4.0 技術(shù)在芯片損耗、模塊溫度循環(huán)能力、電流輸出能力等關(guān)鍵指標(biāo)上均處于領(lǐng)先地位。在電動(dòng)車(chē)電流輸出能力上，比亞迪IGBT 4.0 高出市場(chǎng)主流產(chǎn)品15%，綜合損耗在同等工況下則降低約20%，溫度循環(huán)壽命提升10 倍以上。搭載比亞迪IGBT 4.0 后，整車(chē)百公里電耗能夠降低0.6 kW·h，能耗和用車(chē)成本大大降低。

第5 代IGBT 技術(shù)的溝槽技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)，有利于改變國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)在全球及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上利潤(rùn)薄弱的現(xiàn)狀。溝槽技術(shù)是第5 代IGBT 技術(shù)的一個(gè)重要改變，溝槽結(jié)構(gòu)從根本上消除了球面PN 結(jié)的負(fù)面效應(yīng)，使得IGBT 導(dǎo)通壓降大幅降低（圖1）[3]。門(mén)極（Gate）的作用是通過(guò)外加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET（Metal-Oxide Semiconductor FET，金屬—氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管）基本相同，只需控制輸入極N-溝道。

圖1 IGBT 溝槽柵截面

溝槽IGBT 的側(cè)壁比較薄，但是要承受大的功率，這使其對(duì)制備工藝的要求更高，主要表現(xiàn)在Si（硅）溝槽整體形貌，特別是底部結(jié)構(gòu)形貌、粗糙度、填充技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)上。因此，Si 基體的微納加工工藝是制備IGBT 的工藝基礎(chǔ)。高深度比多層微結(jié)構(gòu)的Si 表面微納加工技術(shù)，是在一整塊晶圓硅片上，通過(guò)光刻、蝕刻、鍍膜、等離子注入、退火處理等工藝手段，從而制備出IGBT 的技術(shù)[4]。本文主要研究刻蝕設(shè)備腔內(nèi)氣體氣壓的變化，對(duì)Si 基刻蝕速率的影響。

2 制備實(shí)驗(yàn)

2.1 光刻過(guò)程

采用北京創(chuàng)世威納科技有限公司的IBE150 刻蝕機(jī)對(duì)Si 片進(jìn)行Ar 等離子清洗，烘烤樣片10 min，除去樣片Si 表面的水汽。在SC-1B 型勻膠機(jī)上對(duì)Si 片進(jìn)行勻膠，光刻膠采用BP212。在NIKON 光刻機(jī)上進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間為100 s。使用專(zhuān)用顯影液進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間為30 s，然后放入去離子水清洗，N2氣槍吹干樣品。最后在烘干機(jī)上，120 ℃條件下保持5 min，完成堅(jiān)膜。

光刻的主要目的是通過(guò)投影的方法，將掩膜版上的大規(guī)模集成電路的結(jié)構(gòu)圖形刻畫(huà)在涂有光刻膠的硅片上，通過(guò)光的照射使光刻膠成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成電路（圖2）。

圖2 光刻設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

顯影的主要目的是把掩膜版上的圖形準(zhǔn)確復(fù)制到光刻膠上。顯影的三個(gè)主要問(wèn)題是顯影不足、不完全顯影和過(guò)顯影。顯影不足的線(xiàn)條比正常線(xiàn)條要寬，并且在側(cè)面有斜坡；不完全顯影在襯底上留下應(yīng)該在顯影中去掉的剩余光刻膠；過(guò)顯影除去太多的光刻膠，引起圖形變窄和拙劣的外形。

2.2 刻蝕過(guò)程

使用北京創(chuàng)世威納科技有限公司的ICP601 型耐氟基或更弱腐蝕性氣體刻蝕機(jī)對(duì)Si 基進(jìn)行刻蝕，刻蝕機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示?？涛g機(jī)硬件主要包括上電極電源、下電極電源、腔體、靜電吸盤(pán)、電氣控制部分等?？涛g氣體為SF6、CHF3等F 基氣體，上電極電源解離氣體，下電極電源發(fā)揮偏壓作用，牽引離子。在上、下電極電源的共同作用下，電場(chǎng)離解出F-和電子，可以保證在腔體內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生等離子體[5]。等離子體在下電極電源的牽引下，對(duì)固定在靜電吸盤(pán)上的Si 片進(jìn)行刻蝕。

圖3 刻蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

ICP601 型耐氟基或更弱腐蝕性氣體刻蝕機(jī)的工作臺(tái)可升降、電源配置為上電極射頻、下電極偏壓，可全自動(dòng)和半自動(dòng)控制?？涛g材料可以是單晶硅、多晶硅、SiO2、Si3N4、Ti、W、聚合物等，刻蝕速率0.1～4 μm/min?？涛g腔體為高真空系統(tǒng)，刻蝕不均勻性±3%～±6%。

3 結(jié)果與分析

IGBT 是由雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成的符合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOS-FET 的高輸入阻抗和電力晶體管的低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。電力晶體管飽和壓降低、載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOS-FET 驅(qū)動(dòng)電流很小、開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大、載流密度小。IGBT 綜合了上述兩種元器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。

腔內(nèi)氣壓影響刻蝕速率的因素包括離子轟擊效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)速率、物理碰撞效應(yīng)。離子轟擊效應(yīng)是在等離子刻蝕過(guò)程中，高能離子對(duì)表面材料進(jìn)行物理轟擊，從而導(dǎo)致材料的剝蝕。離子的轟擊能量與氣體中粒子的密度和能量有關(guān)，因此腔內(nèi)氣壓的變化會(huì)影響離子轟擊效應(yīng)，進(jìn)而影響刻蝕速率?；瘜W(xué)反應(yīng)速率是指刻蝕過(guò)程中的氣體與表面材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性產(chǎn)物，從而促使材料的剝蝕。腔內(nèi)壓力的變化會(huì)影響氣體分子的擴(kuò)散速率和反應(yīng)速率，進(jìn)而影響刻蝕速率。物理碰撞效應(yīng)是在等離子體刻蝕過(guò)程中，離子與氣體分子之間的碰撞，也會(huì)影響刻蝕速率。腔內(nèi)壓力的變化會(huì)影響離子與氣體分子的平均自由程，從而影響碰撞頻率和能量轉(zhuǎn)移，進(jìn)而影響刻蝕速率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著腔體內(nèi)F 基氣體氣壓的增加，刻蝕速率先增加，當(dāng)氣壓為5 Pa 時(shí)，刻蝕速率達(dá)到最大值0.24 μm/min，而后隨著氣壓的增大，刻蝕速率減小（圖4）。

圖4 刻蝕速率變化

在ICP 功率為定值的條件下，F(xiàn) 基氣體量的增加，氣體解離的概率變大，F(xiàn)-的濃度增大，更多的F-離子在下電源牽引的作用下，更多地集聚在Si 片的表面，被表面吸附。Si 片表面的F-濃度越大，則參與反應(yīng)的F-越多，因此提高了刻蝕速率。

而進(jìn)一步繼續(xù)提高腔體的壓力，會(huì)解離出更濃的電子云。在刻蝕功率條件不變的條件下，電子云內(nèi)部的單個(gè)電子的平均能量降低，電子與SF6氣體原子碰撞的概率變小，則解離出的F-的濃度變小。大部分的F 基氣體還沒(méi)有被解離就被真空泵抽走、排出腔體，刻蝕氣體的利用率大大降低，刻蝕速率反而降低。

4 結(jié)論

腔內(nèi)氣壓影響刻蝕速率的因素包括離子轟擊效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)速率、物理碰撞效應(yīng)。蝕刻前期，隨著氣壓的增大，解離出的F-的濃度增加，參與反應(yīng)的F-增多，刻蝕速率增大，當(dāng)氣壓為5 Pa時(shí)，刻蝕速率達(dá)到最大值0.24 μm/min。中后期隨著氣壓的增大，單個(gè)電子的平均能量降低，解離出的F-的濃度變小，參與反應(yīng)的F-減少，導(dǎo)致刻蝕速率減小。