ما هي العوائق التقنية أمام كربيد السيليكون؟Ⅱ

تشمل الصعوبات التقنية في إنتاج رقائق كربيد السيليكون عالية الجودة ذات الأداء المستقر بكميات كبيرة ما يلي:

1) بما أن البلورات تحتاج إلى النمو في بيئة مغلقة ذات درجة حرارة عالية تزيد عن 2000 درجة مئوية، فإن متطلبات التحكم في درجة الحرارة مرتفعة للغاية؛
2) نظرًا لأن كربيد السيليكون يحتوي على أكثر من 200 بنية بلورية، ولكن عددًا قليلًا فقط من هياكل كربيد السيليكون أحادي البلورة هي مواد أشباه الموصلات المطلوبة، فإن نسبة السيليكون إلى الكربون، وتدرج درجة حرارة النمو، ونمو البلورات تحتاج إلى التحكم بدقة خلال عملية نمو الكريستال. معلمات مثل السرعة وضغط تدفق الهواء؛
3) في ظل طريقة نقل طور البخار، تكون تكنولوجيا توسيع القطر لنمو بلورات كربيد السيليكون صعبة للغاية؛
4) صلابة كربيد السيليكون قريبة من صلابة الماس، وتقنيات القطع والطحن والتلميع صعبة.

الرقائق الفوقية من كربيد السيليكون: يتم تصنيعها عادةً بطريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD). وفقًا لأنواع المنشطات المختلفة، يتم تقسيمها إلى رقاقات الفوقي من النوع n والنوع p. يمكن لشركتي Hantian Tiancheng وDongguan Tianyu المحليتين توفير رقائق الفوقي SiC مقاس 4 بوصة/6 بوصة. بالنسبة لـ SiC epitaxy، من الصعب التحكم في مجال الجهد العالي، وجودة SiC epitaxy لها تأثير أكبر على أجهزة SiC. علاوة على ذلك، تحتكر المعدات الفوقي أربع شركات رائدة في الصناعة: Axitron، وLPE، وTEL، وNuflare.

كربيد السيليكون الفوقيتشير الرقاقة إلى رقاقة كربيد السيليكون التي يتم فيها زراعة فيلم بلوري واحد (طبقة فوق محورية) بمتطلبات معينة ونفس بلورة الركيزة على ركيزة كربيد السيليكون الأصلية. يستخدم النمو الفوقي بشكل أساسي معدات CVD (ترسيب البخار الكيميائي) أو معدات MBE (الشعاع الجزيئي). وبما أن أجهزة كربيد السيليكون يتم تصنيعها مباشرة في الطبقة الفوقية، فإن جودة الطبقة الفوقية تؤثر بشكل مباشر على أداء وإنتاجية الجهاز. مع استمرار زيادة أداء تحمل الجهد للجهاز، يصبح سمك الطبقة الفوقي المقابلة أكثر سمكًا ويصبح التحكم أكثر صعوبة. بشكل عام، عندما يكون الجهد حوالي 600 فولت، يكون سمك الطبقة الفوقي المطلوبة حوالي 6 ميكرون؛ عندما يكون الجهد بين 1200-1700 فولت، فإن سمك الطبقة الفوقية المطلوبة يصل إلى 10-15 ميكرون. إذا وصل الجهد إلى أكثر من 10000 فولت، فقد تكون هناك حاجة إلى سمك طبقة فوقية تزيد عن 100 ميكرون. مع استمرار زيادة سمك الطبقة الفوقي، يصبح من الصعب بشكل متزايد التحكم في السُمك وتوحيد المقاومة وكثافة العيوب.

أجهزة SiC: على المستوى الدولي، تم تصنيع 600 ~ 1700V SiC SBD وMOSFET. تعمل المنتجات السائدة بمستويات جهد أقل من 1200 فولت وتعتمد بشكل أساسي على التعبئة والتغليف. من حيث التسعير، يتم تسعير منتجات SiC في السوق الدولية بنحو 5-6 مرات أعلى من نظيراتها من Si. ومع ذلك، فإن الأسعار تنخفض بمعدل سنوي قدره 10٪. ومع التوسع في إنتاج المواد الأولية والأجهزة خلال السنتين أو الثلاث سنوات القادمة، سيزداد المعروض في السوق، مما يؤدي إلى مزيد من التخفيضات في الأسعار. من المتوقع أنه عندما يصل السعر إلى 2-3 أضعاف سعر منتجات Si، فإن المزايا التي يجلبها انخفاض تكاليف النظام وتحسين الأداء ستدفع SiC تدريجيًا لاحتلال مساحة السوق لأجهزة Si.
يعتمد التغليف التقليدي على ركائز أساسها السيليكون، في حين تتطلب مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث تصميمًا جديدًا تمامًا. يمكن أن يؤدي استخدام هياكل التغليف التقليدية القائمة على السيليكون لأجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق الواسعة إلى ظهور مشكلات وتحديات جديدة تتعلق بالتردد والإدارة الحرارية والموثوقية. تعد أجهزة الطاقة SiC أكثر حساسية للسعة الطفيلية والمحاثة. بالمقارنة مع أجهزة Si، تتمتع رقائق الطاقة SiC بسرعات تحويل أسرع، مما قد يؤدي إلى التجاوز والتذبذب وزيادة خسائر التبديل وحتى أعطال الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، تعمل أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون في درجات حرارة أعلى، مما يتطلب تقنيات إدارة حرارية أكثر تقدمًا.

تم تطوير مجموعة متنوعة من الهياكل المختلفة في مجال تعبئة طاقة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة. لم تعد عبوات وحدة الطاقة التقليدية القائمة على Si مناسبة. من أجل حل مشاكل المعلمات الطفيلية العالية وكفاءة تبديد الحرارة الضعيفة لتغليف وحدة الطاقة التقليدية القائمة على Si، تعتمد تعبئة وحدة الطاقة SiC التوصيل البيني اللاسلكي وتقنية التبريد مزدوجة الجانب في هيكلها، وتعتمد أيضًا مواد الركيزة ذات درجة حرارة أفضل الموصلية، وحاول دمج مكثفات الفصل، وأجهزة استشعار درجة الحرارة/التيار، ودوائر القيادة في هيكل الوحدة، وطور مجموعة متنوعة من تقنيات تعبئة الوحدات المختلفة. علاوة على ذلك، هناك عوائق تقنية عالية أمام تصنيع أجهزة SiC وتكاليف الإنتاج مرتفعة.

يتم إنتاج أجهزة كربيد السيليكون عن طريق ترسيب طبقات الفوقي على ركيزة كربيد السيليكون من خلال الأمراض القلبية الوعائية. تتضمن العملية التنظيف، والأكسدة، والطباعة الحجرية الضوئية، والحفر، وتجريد مقاوم الضوء، وزرع الأيونات، وترسيب البخار الكيميائي لنيتريد السيليكون، والتلميع، والرش، وخطوات المعالجة اللاحقة لتشكيل هيكل الجهاز على الركيزة البلورية المفردة SiC. تشمل الأنواع الرئيسية لأجهزة الطاقة SiC الثنائيات SiC وترانزستورات SiC ووحدات الطاقة SiC. نظرًا لعوامل مثل بطء سرعة إنتاج المواد الأولية وانخفاض معدلات الإنتاجية، فإن أجهزة كربيد السيليكون لها تكاليف تصنيع مرتفعة نسبيًا.

بالإضافة إلى ذلك، يواجه تصنيع جهاز كربيد السيليكون بعض الصعوبات الفنية:

1) من الضروري تطوير عملية محددة تتوافق مع خصائص مواد كربيد السيليكون. على سبيل المثال: يحتوي SiC على نقطة انصهار عالية، مما يجعل الانتشار الحراري التقليدي غير فعال. من الضروري استخدام طريقة المنشطات لزرع الأيونات والتحكم بدقة في المعلمات مثل درجة الحرارة ومعدل التسخين والمدة وتدفق الغاز؛ SiC خامل للمذيبات الكيميائية. ينبغي استخدام أساليب مثل النقش الجاف، وينبغي تحسين وتطوير مواد القناع، ومخاليط الغاز، والتحكم في انحدار الجدار الجانبي، ومعدل النقش، وخشونة الجدار الجانبي، وما إلى ذلك؛
2) يتطلب تصنيع الأقطاب الكهربائية المعدنية على رقائق كربيد السيليكون مقاومة اتصال أقل من 10-5Ω2. تتمتع مواد الإلكترود التي تلبي المتطلبات، Ni وAl، بثبات حراري ضعيف فوق 100 درجة مئوية، لكن Al/Ni لديها ثبات حراري أفضل. مقاومة التلامس المحددة لمواد القطب الكهربي المركب /W/Au أعلى بمقدار 10-3Ω2؛
3) يتميز SiC بتآكل عالي للقطع، وصلابة SiC تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس، مما يضع متطلبات أعلى للقطع والطحن والتلميع وغيرها من التقنيات.

علاوة على ذلك، فإن أجهزة توليد الطاقة من كربيد السيليكون الخندقية أكثر صعوبة في التصنيع. وفقًا لهياكل الأجهزة المختلفة، يمكن تقسيم أجهزة طاقة كربيد السيليكون بشكل أساسي إلى أجهزة مستوية وأجهزة خندق. تتمتع أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون المستوي بتماسك جيد للوحدة وعملية تصنيع بسيطة، ولكنها عرضة لتأثير JFET ولها سعة طفيلية عالية ومقاومة على الحالة. بالمقارنة مع الأجهزة المستوية، تتميز أجهزة طاقة كربيد السيليكون الخندقية بتناسق وحدة أقل ولها عملية تصنيع أكثر تعقيدًا. ومع ذلك، فإن هيكل الخندق يفضي إلى زيادة كثافة وحدة الجهاز ومن غير المرجح أن ينتج تأثير JFET، وهو أمر مفيد في حل مشكلة تنقل القناة. لديها خصائص ممتازة مثل المقاومة الصغيرة، والسعة الطفيلية الصغيرة، وانخفاض استهلاك الطاقة التبديل. إنه يتمتع بمزايا كبيرة من حيث التكلفة والأداء وأصبح الاتجاه السائد لتطوير أجهزة طاقة كربيد السيليكون. وفقًا لموقع Rohm الرسمي، فإن هيكل ROHM Gen3 (هيكل Gen1 Trench) يمثل 75% فقط من مساحة شريحة Gen2 (Plannar2)، ويتم تقليل مقاومة هيكل ROHM Gen3 بنسبة 50% تحت نفس حجم الشريحة.

تمثل الركيزة من كربيد السيليكون، والطبقة الأمامية، والواجهة الأمامية، ونفقات البحث والتطوير وغيرها 47%، و23%، و19%، و6%، و5% من تكلفة تصنيع أجهزة كربيد السيليكون على التوالي.

وأخيرا، سوف نركز على كسر الحواجز التقنية للركائز في سلسلة صناعة كربيد السيليكون.

تشبه عملية إنتاج ركائز كربيد السيليكون عملية إنتاج ركائز السيليكون، ولكنها أكثر صعوبة.
تشتمل عملية تصنيع ركيزة كربيد السيليكون بشكل عام على تخليق المواد الخام، ونمو البلورات، ومعالجة السبائك، وقطع السبائك، وطحن الرقاقات، والتلميع، والتنظيف وغيرها من الروابط.
مرحلة نمو البلورة هي جوهر العملية برمتها، وتحدد هذه الخطوة الخواص الكهربائية لركيزة كربيد السيليكون.

من الصعب أن تنمو مواد كربيد السيليكون في الطور السائل في الظروف العادية. تتميز طريقة نمو طور البخار الشائعة في السوق اليوم بدرجة حرارة نمو أعلى من 2300 درجة مئوية وتتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة حرارة النمو. يكاد يكون من الصعب مراقبة عملية التشغيل بأكملها. خطأ بسيط سيؤدي إلى إلغاء المنتج. بالمقارنة، مواد السيليكون تتطلب فقط 1600 درجة مئوية، وهي أقل بكثير. يواجه تحضير ركائز كربيد السيليكون أيضًا صعوبات مثل بطء نمو البلورات ومتطلبات الشكل البلوري العالية. يستغرق نمو رقاقة كربيد السيليكون حوالي 7 إلى 10 أيام، بينما يستغرق سحب قضبان السيليكون يومين ونصف فقط. علاوة على ذلك، فإن كربيد السيليكون مادة تأتي صلابتها في المرتبة الثانية بعد الماس. سوف تفقد الكثير أثناء القطع، والطحن، والتلميع، ونسبة الإخراج هي 60% فقط.

نحن نعلم أن الاتجاه هو زيادة حجم ركائز كربيد السيليكون، ومع استمرار الحجم في الزيادة، أصبحت متطلبات تكنولوجيا توسيع القطر أعلى وأعلى. يتطلب الأمر مزيجًا من عناصر التحكم الفنية المختلفة لتحقيق النمو التكراري للبلورات.