સિલિકોન કાર્બાઇડ માટે તકનીકી અવરોધો શું છે?Ⅱ

સ્થિર કામગીરી સાથે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફરને સ્થિરપણે મોટા પ્રમાણમાં ઉત્પાદન કરવામાં તકનીકી મુશ્કેલીઓનો સમાવેશ થાય છે:

1) સ્ફટિકોને 2000 °C થી ઉપરના ઉચ્ચ-તાપમાન સીલબંધ વાતાવરણમાં વધવાની જરૂર હોવાથી, તાપમાન નિયંત્રણ આવશ્યકતાઓ અત્યંત ઊંચી છે;
2) સિલિકોન કાર્બાઇડમાં 200 થી વધુ ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર્સ હોવાથી, પરંતુ સિંગલ-ક્રિસ્ટલ સિલિકોન કાર્બાઇડની માત્ર થોડી જ રચનાઓ જરૂરી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી છે, સિલિકોન-ટુ-કાર્બન રેશિયો, વૃદ્ધિ તાપમાન ગ્રેડિયન્ટ અને ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરવાની જરૂર છે. સ્ફટિક વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા. ગતિ અને હવાના પ્રવાહના દબાણ જેવા પરિમાણો;
3) વરાળ તબક્કા ટ્રાન્સમિશન પદ્ધતિ હેઠળ, સિલિકોન કાર્બાઇડ ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિની વ્યાસ વિસ્તરણ તકનીક અત્યંત મુશ્કેલ છે;
4) સિલિકોન કાર્બાઇડની કઠિનતા હીરાની નજીક છે, અને કટીંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ અને પોલિશિંગ તકનીકો મુશ્કેલ છે.

SiC એપિટેક્સિયલ વેફર્સ: સામાન્ય રીતે રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (CVD) પદ્ધતિ દ્વારા ઉત્પાદિત. વિવિધ ડોપિંગ પ્રકારો અનુસાર, તેઓ એન-ટાઈપ અને પી-ટાઈપ એપિટેક્સિયલ વેફર્સમાં વહેંચાયેલા છે. ડોમેસ્ટિક હેન્ટિયન ટિયાનચેંગ અને ડોંગગુઆન ટિઆન્યુ પહેલેથી જ 4-ઇંચ/6-ઇંચ SiC એપિટાક્સિયલ વેફર્સ પ્રદાન કરી શકે છે. SiC એપિટેક્સી માટે, ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ ક્ષેત્રમાં તેને નિયંત્રિત કરવું મુશ્કેલ છે, અને SiC ઉપકરણો પર SiC એપિટેક્સીની ગુણવત્તા વધુ અસર કરે છે. તદુપરાંત, એપિટેક્સિયલ સાધનો ઉદ્યોગમાં ચાર અગ્રણી કંપનીઓ દ્વારા ઈજારો ધરાવે છે: એક્સિટ્રોન, એલપીઇ, TEL અને નુફ્લેર.

સિલિકોન કાર્બાઇડ એપિટેક્સિયલવેફર એ સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફરનો ઉલ્લેખ કરે છે જેમાં ચોક્કસ જરૂરિયાતો સાથે સિંગલ ક્રિસ્ટલ ફિલ્મ (એપિટેક્સિયલ લેયર) અને મૂળ સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ પર સબસ્ટ્રેટ ક્રિસ્ટલની જેમ જ ઉગાડવામાં આવે છે. એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ મુખ્યત્વે CVD (કેમિકલ વેપર ડિપોઝિશન, ) સાધનો અથવા MBE (મોલેક્યુલર બીમ એપિટાક્સી) સાધનોનો ઉપયોગ કરે છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણો સીધા એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં ઉત્પાદિત થતાં હોવાથી, એપિટેક્સિયલ સ્તરની ગુણવત્તા ઉપકરણની કામગીરી અને ઉપજને સીધી અસર કરે છે. જેમ જેમ ઉપકરણની વોલ્ટેજ ટકી રહેલ કામગીરીમાં વધારો થતો જાય છે તેમ, અનુરૂપ એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ વધુ ગાઢ બને છે અને નિયંત્રણ વધુ મુશ્કેલ બને છે. સામાન્ય રીતે, જ્યારે વોલ્ટેજ 600V ની આસપાસ હોય છે, ત્યારે જરૂરી એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ લગભગ 6 માઇક્રોન હોય છે; જ્યારે વોલ્ટેજ 1200-1700V ની વચ્ચે હોય છે, ત્યારે જરૂરી એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ 10-15 માઇક્રોન સુધી પહોંચે છે. જો વોલ્ટેજ 10,000 વોલ્ટથી વધુ સુધી પહોંચે છે, તો 100 માઇક્રોનથી વધુની જાડાઈના એપિટેક્સિયલ સ્તરની જરૂર પડી શકે છે. જેમ જેમ એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ સતત વધતી જાય છે, તેમ તેમ જાડાઈ અને પ્રતિકારકતા એકરૂપતા અને ખામી ઘનતાને નિયંત્રિત કરવાનું વધુને વધુ મુશ્કેલ બને છે.

SiC ઉપકરણો: આંતરરાષ્ટ્રીય સ્તરે, 600~1700V SiC SBD અને MOSFETનું ઔદ્યોગિકીકરણ કરવામાં આવ્યું છે. મુખ્ય પ્રવાહના ઉત્પાદનો 1200V ની નીચેના વોલ્ટેજ સ્તરો પર કાર્ય કરે છે અને મુખ્યત્વે TO પેકેજિંગ અપનાવે છે. કિંમતોની દ્રષ્ટિએ, આંતરરાષ્ટ્રીય બજારમાં SiC ઉત્પાદનોની કિંમત તેમના Si સમકક્ષો કરતાં લગભગ 5-6 ગણી વધારે છે. જો કે, કિંમતો વાર્ષિક 10% ના દરે ઘટી રહી છે. આગામી 2-3 વર્ષોમાં અપસ્ટ્રીમ મટિરિયલ્સ અને ડિવાઇસના ઉત્પાદનના વિસ્તરણ સાથે, બજારનો પુરવઠો વધશે, જેનાથી ભાવમાં વધુ ઘટાડો થશે. એવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે કે જ્યારે કિંમત Si ઉત્પાદનોના 2-3 ગણા સુધી પહોંચે છે, ત્યારે સિસ્ટમ ખર્ચમાં ઘટાડો અને સુધારેલ પ્રદર્શન દ્વારા લાવવામાં આવેલા ફાયદા ધીમે ધીમે SiC ને Si ઉપકરણોની બજાર જગ્યા પર કબજો કરવા માટે પ્રેરિત કરશે.
પરંપરાગત પેકેજિંગ સિલિકોન-આધારિત સબસ્ટ્રેટ પર આધારિત છે, જ્યારે ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીને સંપૂર્ણપણે નવી ડિઝાઇનની જરૂર છે. વાઈડ-બેન્ડગેપ પાવર ડિવાઈસ માટે પરંપરાગત સિલિકોન-આધારિત પેકેજિંગ સ્ટ્રક્ચરનો ઉપયોગ કરવાથી આવર્તન, થર્મલ મેનેજમેન્ટ અને વિશ્વસનીયતા સંબંધિત નવા મુદ્દાઓ અને પડકારો રજૂ થઈ શકે છે. SiC પાવર ઉપકરણો પરોપજીવી કેપેસીટન્સ અને ઇન્ડક્ટન્સ પ્રત્યે વધુ સંવેદનશીલ હોય છે. Si ઉપકરણોની તુલનામાં, SiC પાવર ચિપ્સમાં ઝડપી સ્વિચિંગ સ્પીડ હોય છે, જે ઓવરશૂટ, ઓસિલેશન, સ્વિચિંગ નુકસાનમાં વધારો અને ઉપકરણની ખામી તરફ દોરી શકે છે. વધુમાં, SiC પાવર ડિવાઈસ ઊંચા તાપમાને કામ કરે છે, જેમાં વધુ અદ્યતન થર્મલ મેનેજમેન્ટ તકનીકોની જરૂર પડે છે.

વિશાળ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર પાવર પેકેજિંગના ક્ષેત્રમાં વિવિધ પ્રકારની વિવિધ રચનાઓ વિકસાવવામાં આવી છે. પરંપરાગત Si-આધારિત પાવર મોડ્યુલ પેકેજિંગ હવે યોગ્ય નથી. પરંપરાગત Si-આધારિત પાવર મોડ્યુલ પેકેજીંગની ઉચ્ચ પરોપજીવી પરિમાણો અને નબળી ઉષ્મા વિસર્જન કાર્યક્ષમતાની સમસ્યાઓને ઉકેલવા માટે, SiC પાવર મોડ્યુલ પેકેજીંગ તેના બંધારણમાં વાયરલેસ ઇન્ટરકનેક્શન અને ડબલ-સાઇડ કૂલિંગ ટેક્નોલોજી અપનાવે છે, અને સારી થર્મલ સાથે સબસ્ટ્રેટ સામગ્રીને પણ અપનાવે છે. વાહકતા, અને ડીકોપલિંગ કેપેસિટર્સ, તાપમાન/વર્તમાન સેન્સર્સ અને ડ્રાઇવ સર્કિટને સંકલિત કરવાનો પ્રયાસ કર્યો મોડ્યુલ માળખું, અને વિવિધ મોડ્યુલ પેકેજીંગ ટેકનોલોજી વિકસાવી છે. વધુમાં, SiC ઉપકરણના ઉત્પાદનમાં ઉચ્ચ તકનીકી અવરોધો છે અને ઉત્પાદન ખર્ચ વધુ છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણો સીવીડી દ્વારા સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ પર એપિટેક્સિયલ સ્તરો જમા કરીને બનાવવામાં આવે છે. પ્રક્રિયામાં સફાઈ, ઓક્સિડેશન, ફોટોલિથોગ્રાફી, ઈચિંગ, ફોટોરેસિસ્ટનું સ્ટ્રીપિંગ, આયન ઈમ્પ્લાન્ટેશન, સિલિકોન નાઈટ્રાઈડનું રાસાયણિક બાષ્પ જમાવવું, પોલિશિંગ, સ્પુટરિંગ અને SiC સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર ઉપકરણનું માળખું બનાવવા માટેના અનુગામી પ્રક્રિયાના પગલાંનો સમાવેશ થાય છે. SiC પાવર ઉપકરણોના મુખ્ય પ્રકારોમાં SiC ડાયોડ્સ, SiC ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને SiC પાવર મોડ્યુલોનો સમાવેશ થાય છે. ધીમી અપસ્ટ્રીમ સામગ્રી ઉત્પાદન ઝડપ અને નીચા ઉપજ દર જેવા પરિબળોને લીધે, સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણો પ્રમાણમાં ઊંચા ઉત્પાદન ખર્ચ ધરાવે છે.

વધુમાં, સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણના ઉત્પાદનમાં કેટલીક તકનીકી મુશ્કેલીઓ છે:

1) સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓ સાથે સુસંગત હોય તેવી ચોક્કસ પ્રક્રિયા વિકસાવવી જરૂરી છે. ઉદાહરણ તરીકે: SiC માં ઉચ્ચ ગલનબિંદુ છે, જે પરંપરાગત થર્મલ પ્રસારને બિનઅસરકારક બનાવે છે. આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોપિંગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવો અને તાપમાન, હીટિંગ રેટ, અવધિ અને ગેસ પ્રવાહ જેવા પરિમાણોને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરવું જરૂરી છે; SiC રાસાયણિક દ્રાવકો માટે નિષ્ક્રિય છે. ડ્રાય ઈચિંગ જેવી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ થવો જોઈએ, અને માસ્ક સામગ્રી, ગેસ મિશ્રણ, સાઇડવૉલ ઢોળાવનું નિયંત્રણ, એચિંગ રેટ, સાઇડવૉલની ખરબચડી વગેરેને ઑપ્ટિમાઇઝ અને વિકસિત કરવી જોઈએ;
2) સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફર પર મેટલ ઇલેક્ટ્રોડના ઉત્પાદન માટે 10-5Ω2 ની નીચે સંપર્ક પ્રતિકારની જરૂર છે. ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી કે જે જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરે છે, Ni અને Al, 100°C ઉપર નબળી થર્મલ સ્થિરતા ધરાવે છે, પરંતુ Al/Ni સારી થર્મલ સ્થિરતા ધરાવે છે. /W/Au સંયુક્ત ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીનો સંપર્ક વિશિષ્ટ પ્રતિકાર 10-3Ω2 વધારે છે;
3) SiC માં ઉચ્ચ કટિંગ વસ્ત્રો છે, અને SiC ની કઠિનતા હીરા પછી બીજા ક્રમે છે, જે કટીંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ, પોલિશિંગ અને અન્ય તકનીકો માટે ઉચ્ચ જરૂરિયાતો આગળ મૂકે છે.

તદુપરાંત, ટ્રેન્ચ સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ઉપકરણોનું ઉત્પાદન કરવું વધુ મુશ્કેલ છે. અલગ-અલગ ડિવાઈસ સ્ટ્રક્ચર્સ અનુસાર, સિલિકોન કાર્બાઈડ પાવર ડિવાઈસને મુખ્યત્વે પ્લાનર ડિવાઈસ અને ટ્રેન્ચ ડિવાઈસમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. પ્લાનર સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસમાં સારી એકમ સુસંગતતા અને સરળ ઉત્પાદન પ્રક્રિયા હોય છે, પરંતુ તે JFET અસર માટે સંવેદનશીલ હોય છે અને ઉચ્ચ પરોપજીવી કેપેસિટેન્સ અને રાજ્ય પર પ્રતિકાર ધરાવે છે. પ્લેનર ઉપકરણોની તુલનામાં, ટ્રેન્ચ સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસમાં એકમ સુસંગતતા ઓછી હોય છે અને વધુ જટિલ ઉત્પાદન પ્રક્રિયા હોય છે. જો કે, ખાઈનું માળખું ઉપકરણ એકમની ઘનતા વધારવા માટે અનુકૂળ છે અને JFET અસર ઉત્પન્ન કરવાની શક્યતા ઓછી છે, જે ચેનલ ગતિશીલતાની સમસ્યાને ઉકેલવા માટે ફાયદાકારક છે. તેની પાસે નાના ઓન-રેઝિસ્ટન્સ, નાના પરોપજીવી કેપેસીટન્સ અને ઓછી સ્વિચિંગ ઉર્જા વપરાશ જેવા ઉત્તમ ગુણધર્મો છે. તેમાં નોંધપાત્ર ખર્ચ અને કામગીરીના ફાયદા છે અને તે સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ઉપકરણોના વિકાસની મુખ્ય દિશા બની ગઈ છે. Rohm સત્તાવાર વેબસાઈટ અનુસાર, ROHM Gen3 સ્ટ્રક્ચર (Gen1 Trench સ્ટ્રક્ચર) Gen2 (Plannar2) ચિપ વિસ્તારના માત્ર 75% છે, અને ROHM Gen3 સ્ટ્રક્ચરની ઑન-રેઝિસ્ટન્સ સમાન ચિપ સાઈઝ હેઠળ 50% ઘટી છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ, એપિટેક્સી, ફ્રન્ટ-એન્ડ, આર એન્ડ ડી ખર્ચ અને અન્યનો હિસ્સો અનુક્રમે સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણોના ઉત્પાદન ખર્ચમાં 47%, 23%, 19%, 6% અને 5% છે.

છેલ્લે, અમે સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉદ્યોગ શૃંખલામાં સબસ્ટ્રેટ્સની તકનીકી અવરોધોને તોડવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરીશું.

સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા સિલિકોન આધારિત સબસ્ટ્રેટ જેવી જ છે, પરંતુ વધુ મુશ્કેલ છે.
સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટની ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં સામાન્ય રીતે કાચા માલનું સંશ્લેષણ, ક્રિસ્ટલ ગ્રોથ, ઇનગોટ પ્રોસેસિંગ, ઇનગોટ કટિંગ, વેફર ગ્રાઇન્ડિંગ, પોલિશિંગ, ક્લિનિંગ અને અન્ય લિંક્સનો સમાવેશ થાય છે.
સ્ફટિક વૃદ્ધિનો તબક્કો એ સમગ્ર પ્રક્રિયાનો મુખ્ય ભાગ છે, અને આ પગલું સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટના વિદ્યુત ગુણધર્મોને નિર્ધારિત કરે છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રી સામાન્ય સ્થિતિમાં પ્રવાહી તબક્કામાં વધવા મુશ્કેલ છે. આજે બજારમાં લોકપ્રિય વરાળ તબક્કા વૃદ્ધિ પદ્ધતિ 2300 ° સે ઉપર વૃદ્ધિ તાપમાન ધરાવે છે અને વૃદ્ધિ તાપમાનના ચોક્કસ નિયંત્રણની જરૂર છે. સમગ્ર ઓપરેશન પ્રક્રિયાનું અવલોકન કરવું લગભગ મુશ્કેલ છે. થોડી ભૂલ ઉત્પાદન સ્ક્રેપિંગ તરફ દોરી જશે. સરખામણીમાં, સિલિકોન સામગ્રીને માત્ર 1600℃ જરૂરી છે, જે ઘણું ઓછું છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટને તૈયાર કરવામાં પણ મુશ્કેલીઓનો સામનો કરવો પડે છે જેમ કે ક્રિસ્ટલની ધીમી વૃદ્ધિ અને ઉચ્ચ ક્રિસ્ટલ ફોર્મની જરૂરિયાતો. સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફરની વૃદ્ધિ લગભગ 7 થી 10 દિવસ લે છે, જ્યારે સિલિકોન સળિયાને ખેંચવામાં માત્ર અઢી દિવસ લાગે છે. વધુમાં, સિલિકોન કાર્બાઇડ એક એવી સામગ્રી છે જેની કઠિનતા હીરા પછી બીજા ક્રમે છે. તે કટીંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ અને પોલિશિંગ દરમિયાન ઘણું ગુમાવશે અને આઉટપુટ રેશિયો માત્ર 60% છે.

આપણે જાણીએ છીએ કે સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટનું કદ વધારવાનું વલણ છે, કારણ કે કદ સતત વધતું જાય છે, વ્યાસ વિસ્તરણ તકનીક માટેની આવશ્યકતાઓ વધુને વધુ ઊંચી બની રહી છે. ક્રિસ્ટલની પુનરાવર્તિત વૃદ્ધિ હાંસલ કરવા માટે તેને વિવિધ તકનીકી નિયંત્રણ તત્વોના સંયોજનની જરૂર છે.