Lingots de silicium CZ vs FZ pour dispositifs de puissance haute tension

Un dispositif commence sa vie sous la forme d'un disque de cristal. Qu'est-ce qui détermine s'il bloque 650 V ou 1 700 V ? Principalement la méthode de fabrication.

Czochralski (CZ) ? Un germe extrait d'une fusion dans un creuset en quartz.

Zone flottante (FZ) ? Une bande de silicium fondue avec de l’énergie radiofréquence — sans creuset.

En quoi se résume le choix entre les lingots de silicium CZ et FZ ? Quatre variables : l’oxygène, la résistivité, la qualité cristalline et le coût. Lequel convient le mieux aux dispositifs de puissance haute tension ? Cela dépend des exigences du dispositif et du budget.

Pourquoi les méthodes de croissance des lingots de silicium sont importantes pour les dispositifs de puissance haute tension

Un lingot ne devient rentable qu'une fois découpé en substrats de silicium — plaquettes de silicium Une ligne électrique se transforme en composants. La résistivité détermine la tension de la zone de dérive. La qualité cristalline influe sur le courant de fuite et la commutation. Dès lors, pourquoi une croissance aussi soignée est-elle essentielle ? Les défauts résiduels engendrent des points chauds, des défaillances prématurées et des puces gaspillées. Dans la fabrication des semi-conducteurs de puissance, la méthode de croissance est le premier choix, et le plus difficile à modifier : elle conditionne la tension de claquage, le comportement de commutation et le rendement.

Comment sont produits les lingots de silicium CZ et FZ ?

Processus de croissance du silicium Czochralski (CZ)

Le polysilicium fond dans un creuset en quartz à plus de 1 420 °C. On y introduit un germe, et la réaction commence. L'oxygène s'infiltre-t-il ? Dans le creuset. Le quartz se dissout ; l'oxygène pénètre dans le bain de fusion et y reste. La croissance par MCZ (cristalline de zirconium) intègre un champ magnétique pour limiter la convection et améliorer l'uniformité de la résistivité ; l'oxygène reste néanmoins présent. La CZ (cristalline de zirconium) privilégie la taille au détriment de la pureté du matériau.

Procédé de croissance du silicium par zone flottante (FZ)

Le procédé FZ s'affranchit du creuset. Une bobine RF fond une bande le long d'une tige de polysilicium, puis remonte le long de celle-ci, resolidifiant la zone au fur et à mesure. Seuls le germe et la tige entrent en contact avec le bain de fusion ; la teneur en oxygène reste extrêmement faible et les impuretés sont éliminées. Résultat : une pureté et une résistivité élevées, au prix d'une taille plus importante. Les lingots FZ sont simplement plus étroits.

Lingots de silicium CZ vs FZ : principales différences

Par où commencent généralement les acheteurs ? Voir le tableau ci-dessous.

Qu'est-ce qui détermine la composition des lingots ? L'oxygène. Les lingots de silicium CZ en contiennent davantage, ce qui augmente le risque de précipitation à haute température et favorise la génération de chaleur. Par conséquent, la résistivité et la durée de vie dépendent d'un contrôle rigoureux. Les lingots de silicium FZ, quant à eux, présentent une teneur initiale en oxygène plus faible et une résistivité très élevée et plus stable. Est-ce gratuit ? Non : les lingots FZ sont plus chers et offrent moins d'options pour les grands diamètres.

Pourquoi le silicium FZ est-il souvent préféré pour les dispositifs de puissance haute tension ?

Résistivité électrique plus élevée

Qu'apporte concrètement le silicium à haute résistivité ? Une couche de blocage plus fine. La zone de déplétion atteint son champ électrique avant le claquage ; la classe de tension est ainsi obtenue sans nécessiter une plaquette d'épaisseur excessive. Objectif plus élevé ? Une plus grande marge de manœuvre pour la conception.

Concentration d'oxygène extrêmement faible

Quand l'oxygène pose-t-il problème ? En cours de fabrication, et non à la livraison. Le matériau riche en oxygène forme des donneurs thermiques et des précipités. La résistivité et la durée de vie des porteurs de charge varient. Les plaquettes de silicium haute tension nécessitent un volume stable ; le silicium FZ à faible teneur en oxygène garantit la prévisibilité du matériau tout au long de la fabrication.

Adapté aux applications haute puissance

Silicium FZ pour IGBT, MOSFET de puissance, thyristors haute puissance : le choix privilégié lorsque les spécifications du substrat sont strictes. Une faible teneur en oxygène, stable et constante, assure le bon fonctionnement de la zone de dérive, cycle après cycle. Un procédé incapable d'absorber la dérive d'oxygène ? Le silicium FZ répond parfaitement à cette exigence.

Quand le silicium CZ ou MCZ est-il un meilleur choix ?

Un compromis ? Pas dans la plupart des conceptions : le choix rationnel se porte sur le silicium CZ ou MCZ. Quels sont les avantages du silicium CZ pour les dispositifs de puissance ? Un coût au kilogramme bien inférieur et des diamètres plus importants. La croissance MCZ induit un champ magnétique qui stabilise la fusion et améliore l’uniformité de la résistivité. Ainsi, des lingots de silicium MCZ bien conçus peuvent permettre la fabrication de certains IGBT haute tension. IET Power Electronics (2019) : substrats MCZ de 300 mm, IGBT de 1 200 V, fabriqués grâce à des ajustements de procédé appropriés. Le choix du lingot de silicium dépend alors de l’architecture du dispositif, de la plage de procédés et des objectifs, et non d’une préférence absolue.

Comment choisir le bon lingot de silicium : un guide d’achat

Comparaison de fournisseurs ou rédaction d'un cahier des charges d'approvisionnement ? La méthode de croissance n'est que la première ligne de spécifications des lingots de silicium ; ce sont les chiffres qui déterminent si un lot est conforme.

Paramètres clés à évaluer

Tension nominale. Commencez par là ; la classe de tension cible et l’architecture détermineront le reste.

Résistivité électrique. Vérifier la valeur cible et la tolérance pour les variations radiales et axiales, et pas seulement la valeur au centre de la plaquette.

Teneur en oxygène et en carbone. Vérifier ces deux valeurs par rapport au procédé ; une mesure de résistivité normale ne renseigne que peu sur le comportement à haute température.

Durée de vie du support. Le matériau est-il compatible avec votre plan de performance et de contrôle de la durée de vie ?

Type de conductivité. Type N ou type P — à confirmer avant la facturation.

Orientation et diamètre des cristaux. À adapter aux étapes de découpe et de traitement des plaquettes en aval.

Documentation sur la densité des défauts et la qualité. Densité de dislocations, historique des défauts, traçabilité des lots, rapports d'essais de matériaux — où services de contrôle de la qualité appartenir.

Il vaut la peine de tenter l'expérience avec un fournisseur de silicium de haute pureté qui documente les sept composants du lot acheté. La traçabilité de la qualité des matériaux semi-conducteurs est essentielle.

Approvisionnement en lingots de silicium CZ et FZ de l'ÉQUATEUR

Besoin de matériaux CZ, MCZ ou FZ pour une ligne de production de composants de puissance ? Qui propose les trois ? THE EQUATOR — fournisseur de lingots de silicium et de matériaux semi-conducteurs. Diamètres ou qualités spécifiques ? tiges en silicone sur mesure Notre gamme comprend des composants de type N ou P, avec conductivité, résistivité, orientation et dimensions conformes aux spécifications. Chaque lot inclut un contrôle qualité, des rapports d'essais de matériaux, la traçabilité, ainsi qu'une inspection par un organisme tiers si nécessaire. gestion de la chaîne d'approvisionnement une ligne électrique s'attend.

FZ privilégie la haute tension et la faible teneur en oxygène ; CZ, le coût et la taille. Choisissez en fonction des performances électriques, de la compatibilité avec les procédés et des besoins d’approvisionnement, puis transposez le cahier des charges à l’équateur.

Vous recherchez des lingots de silicium CZ ou FZ fiables pour la production de vos dispositifs de puissance haute tension ? Contactez L'ÉQUATEUR pour discuter de vos spécifications de matériaux et de vos exigences en matière d'approvisionnement.

Foire aux questions

Le silicium FZ est-il meilleur que le silicium CZ pour les dispositifs de puissance haute tension ?

En général, oui : faible teneur en oxygène, résistivité élevée, adaptée à la zone de dérive. Un matériau MCZ bien conçu peut toutefois répondre à des besoins spécifiques.

Quelle est la principale différence entre les lingots de silicium CZ et FZ ?

Méthode de croissance. CZ : germe issu d’un bain de fusion. FZ : zone fondue, sans creuset. Côté FZ : faible teneur en oxygène, résistivité plus élevée. Côté CZ : coût inférieur, diamètres plus importants.

Quelles spécifications les acheteurs doivent-ils vérifier lors de l'achat de lingots de silicium FZ ?

Résistivité et son uniformité, teneur en oxygène, durée de vie des porteurs de charge, type de conductivité, orientation — et rapports de qualité du lot. Évaluez le lot dans son ensemble, et non pas seulement la catégorie.