सिलिकॉन कार्बाइड में तकनीकी बाधाएँ क्या हैं?Ⅱ

स्थिर प्रदर्शन के साथ उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन में तकनीकी कठिनाइयों में शामिल हैं:
1) चूंकि क्रिस्टल को 2000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर उच्च तापमान वाले सीलबंद वातावरण में बढ़ने की आवश्यकता होती है, इसलिए तापमान नियंत्रण की आवश्यकताएं बहुत अधिक होती हैं;
2) चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड में 200 से अधिक क्रिस्टल संरचनाएं होती हैं, लेकिन एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन कार्बाइड की केवल कुछ संरचनाएं ही आवश्यक अर्धचालक सामग्री होती हैं, सिलिकॉन-से-कार्बन अनुपात, विकास तापमान ढाल और क्रिस्टल विकास को सटीक रूप से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है क्रिस्टल विकास प्रक्रिया. गति और वायु प्रवाह दबाव जैसे पैरामीटर;
3) वाष्प चरण संचरण विधि के तहत, सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल विकास की व्यास विस्तार तकनीक बेहद कठिन है;
4) सिलिकॉन कार्बाइड की कठोरता हीरे के करीब होती है, और काटने, पीसने और पॉलिश करने की तकनीक कठिन होती है।

SiC एपिटैक्सियल वेफर्स: आमतौर पर रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) विधि द्वारा निर्मित होते हैं। विभिन्न डोपिंग प्रकारों के अनुसार, उन्हें एन-टाइप और पी-टाइप एपिटैक्सियल वेफर्स में विभाजित किया गया है। घरेलू हंटियन तियानचेंग और डोंगगुआन तियानयु पहले से ही 4-इंच/6-इंच SiC एपिटैक्सियल वेफर्स प्रदान कर सकते हैं। SiC एपिटॉक्सी के लिए, उच्च-वोल्टेज क्षेत्र में नियंत्रण करना मुश्किल है, और SiC एपिटॉक्सी की गुणवत्ता SiC उपकरणों पर अधिक प्रभाव डालती है। इसके अलावा, एपिटैक्सियल उपकरण पर उद्योग की चार अग्रणी कंपनियों का एकाधिकार है: एक्सिट्रॉन, एलपीई, टीईएल और नुफ्लेयर।

सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियलवेफर एक सिलिकॉन कार्बाइड वेफर को संदर्भित करता है जिसमें कुछ आवश्यकताओं के साथ एक एकल क्रिस्टल फिल्म (एपिटैक्सियल परत) और सब्सट्रेट क्रिस्टल के समान मूल सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर उगाया जाता है। एपिटैक्सियल वृद्धि मुख्य रूप से सीवीडी (रासायनिक वाष्प जमाव,) उपकरण या एमबीई (आणविक बीम एपिटैक्सी) उपकरण का उपयोग करती है। चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण सीधे एपिटैक्सियल परत में निर्मित होते हैं, इसलिए एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता सीधे डिवाइस के प्रदर्शन और उपज को प्रभावित करती है। जैसे-जैसे डिवाइस का वोल्टेज झेलने वाला प्रदर्शन बढ़ता जा रहा है, संबंधित एपिटैक्सियल परत की मोटाई मोटी हो जाती है और नियंत्रण अधिक कठिन हो जाता है। आम तौर पर, जब वोल्टेज 600V के आसपास होता है, तो आवश्यक एपिटैक्सियल परत की मोटाई लगभग 6 माइक्रोन होती है; जब वोल्टेज 1200-1700V के बीच होता है, तो आवश्यक एपिटैक्सियल परत की मोटाई 10-15 माइक्रोन तक पहुंच जाती है। यदि वोल्टेज 10,000 वोल्ट से अधिक तक पहुँच जाता है, तो 100 माइक्रोन से अधिक की एपिटैक्सियल परत की मोटाई की आवश्यकता हो सकती है। जैसे-जैसे एपिटैक्सियल परत की मोटाई बढ़ती जा रही है, मोटाई और प्रतिरोधकता एकरूपता और दोष घनत्व को नियंत्रित करना कठिन होता जा रहा है।

SiC उपकरण: अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, 600~1700V SiC SBD और MOSFET का औद्योगिकीकरण किया गया है। मुख्यधारा के उत्पाद 1200V से नीचे वोल्टेज स्तर पर काम करते हैं और मुख्य रूप से TO पैकेजिंग को अपनाते हैं। मूल्य निर्धारण के संदर्भ में, अंतरराष्ट्रीय बाजार में SiC उत्पादों की कीमत उनके Si समकक्षों की तुलना में लगभग 5-6 गुना अधिक है। हालाँकि, कीमतें 10% की वार्षिक दर से घट रही हैं। अगले 2-3 वर्षों में अपस्ट्रीम सामग्रियों और उपकरण उत्पादन के विस्तार के साथ, बाजार में आपूर्ति बढ़ेगी, जिससे कीमतों में और कटौती होगी। यह उम्मीद की जाती है कि जब कीमत Si उत्पादों की तुलना में 2-3 गुना तक पहुंच जाएगी, तो कम सिस्टम लागत और बेहतर प्रदर्शन से होने वाले फायदे धीरे-धीरे SiC को Si उपकरणों के बाजार स्थान पर कब्जा करने के लिए प्रेरित करेंगे।
पारंपरिक पैकेजिंग सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट्स पर आधारित है, जबकि तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्रियों को पूरी तरह से नए डिजाइन की आवश्यकता होती है। वाइड-बैंडगैप बिजली उपकरणों के लिए पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित पैकेजिंग संरचनाओं का उपयोग आवृत्ति, थर्मल प्रबंधन और विश्वसनीयता से संबंधित नए मुद्दों और चुनौतियों को पेश कर सकता है। SiC पावर उपकरण परजीवी कैपेसिटेंस और इंडक्शन के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं। Si उपकरणों की तुलना में, SiC पावर चिप्स में तेज़ स्विचिंग गति होती है, जिससे ओवरशूट, दोलन, स्विचिंग हानि में वृद्धि और यहां तक ​​कि डिवाइस में खराबी भी हो सकती है। इसके अतिरिक्त, SiC बिजली उपकरण उच्च तापमान पर काम करते हैं, जिसके लिए अधिक उन्नत थर्मल प्रबंधन तकनीकों की आवश्यकता होती है।

वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर पावर पैकेजिंग के क्षेत्र में विभिन्न प्रकार की विभिन्न संरचनाएं विकसित की गई हैं। पारंपरिक सी-आधारित पावर मॉड्यूल पैकेजिंग अब उपयुक्त नहीं है। पारंपरिक Si-आधारित पावर मॉड्यूल पैकेजिंग के उच्च परजीवी मापदंडों और खराब गर्मी अपव्यय दक्षता की समस्याओं को हल करने के लिए, SiC पावर मॉड्यूल पैकेजिंग अपनी संरचना में वायरलेस इंटरकनेक्शन और डबल-साइड कूलिंग तकनीक को अपनाती है, और बेहतर थर्मल के साथ सब्सट्रेट सामग्री को भी अपनाती है। चालकता, और डिकूपिंग कैपेसिटर, तापमान/वर्तमान सेंसर और ड्राइव सर्किट को मॉड्यूल संरचना में एकीकृत करने का प्रयास किया, और विभिन्न मॉड्यूल पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों की एक किस्म विकसित की। इसके अलावा, SiC डिवाइस निर्माण में उच्च तकनीकी बाधाएं हैं और उत्पादन लागत अधिक है।

सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों का उत्पादन सीवीडी के माध्यम से सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल परतों को जमा करके किया जाता है। इस प्रक्रिया में सफाई, ऑक्सीकरण, फोटोलिथोग्राफी, नक़्क़ाशी, फोटोरेसिस्ट को अलग करना, आयन आरोपण, सिलिकॉन नाइट्राइड का रासायनिक वाष्प जमाव, पॉलिशिंग, स्पटरिंग और बाद में SiC सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर डिवाइस संरचना बनाने के लिए प्रसंस्करण चरण शामिल हैं। मुख्य प्रकार के SiC पावर उपकरणों में SiC डायोड, SiC ट्रांजिस्टर और SiC पावर मॉड्यूल शामिल हैं। धीमी अपस्ट्रीम सामग्री उत्पादन गति और कम उपज दर जैसे कारकों के कारण, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों की विनिर्माण लागत अपेक्षाकृत अधिक होती है।

इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण निर्माण में कुछ तकनीकी कठिनाइयाँ हैं:
1) एक विशिष्ट प्रक्रिया विकसित करना आवश्यक है जो सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री की विशेषताओं के अनुरूप हो। उदाहरण के लिए: SiC का गलनांक उच्च होता है, जो पारंपरिक थर्मल प्रसार को अप्रभावी बनाता है। आयन इम्प्लांटेशन डोपिंग विधि का उपयोग करना और तापमान, ताप दर, अवधि और गैस प्रवाह जैसे मापदंडों को सटीक रूप से नियंत्रित करना आवश्यक है; SiC रासायनिक विलायकों के प्रति निष्क्रिय है। सूखी नक़्क़ाशी जैसी विधियों का उपयोग किया जाना चाहिए, और मुखौटा सामग्री, गैस मिश्रण, साइडवॉल ढलान का नियंत्रण, नक़्क़ाशी दर, साइडवॉल खुरदरापन आदि को अनुकूलित और विकसित किया जाना चाहिए;
2) सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स पर धातु इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए 10-5Ω2 से कम संपर्क प्रतिरोध की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोड सामग्री जो आवश्यकताओं को पूरा करती है, Ni और Al, में 100°C से ऊपर खराब तापीय स्थिरता होती है, लेकिन Al/Ni में बेहतर तापीय स्थिरता होती है। /W/Au मिश्रित इलेक्ट्रोड सामग्री का संपर्क विशिष्ट प्रतिरोध 10-3Ω2 अधिक है;
3) SiC में उच्च कटिंग घिसाव होता है, और SiC की कठोरता हीरे के बाद दूसरे स्थान पर होती है, जो काटने, पीसने, पॉलिश करने और अन्य प्रौद्योगिकियों के लिए उच्च आवश्यकताओं को सामने रखती है।
इसके अलावा, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों का निर्माण करना अधिक कठिन है। विभिन्न उपकरण संरचनाओं के अनुसार, सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों को मुख्य रूप से समतल उपकरणों और ट्रेंच उपकरणों में विभाजित किया जा सकता है। प्लानर सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों में अच्छी इकाई स्थिरता और सरल विनिर्माण प्रक्रिया होती है, लेकिन जेएफईटी प्रभाव का खतरा होता है और उच्च परजीवी कैपेसिटेंस और ऑन-स्टेट प्रतिरोध होता है। समतल उपकरणों की तुलना में, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों में कम इकाई स्थिरता होती है और अधिक जटिल विनिर्माण प्रक्रिया होती है। हालाँकि, ट्रेंच संरचना डिवाइस इकाई घनत्व को बढ़ाने के लिए अनुकूल है और इससे JFET प्रभाव उत्पन्न होने की संभावना कम है, जो चैनल गतिशीलता की समस्या को हल करने के लिए फायदेमंद है। इसमें छोटे ऑन-प्रतिरोध, छोटे परजीवी समाई और कम स्विचिंग ऊर्जा खपत जैसे उत्कृष्ट गुण हैं। इसमें महत्वपूर्ण लागत और प्रदर्शन लाभ हैं और यह सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों के विकास की मुख्य दिशा बन गई है। रोहम की आधिकारिक वेबसाइट के अनुसार, ROHM Gen3 संरचना (Gen1 ट्रेंच संरचना) Gen2 (Plannar2) चिप क्षेत्र का केवल 75% है, और उसी चिप आकार के तहत ROHM Gen3 संरचना का ऑन-प्रतिरोध 50% कम हो जाता है।

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट, एपिटैक्सी, फ्रंट-एंड, आर एंड डी व्यय और अन्य क्रमशः सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों की विनिर्माण लागत का 47%, 23%, 19%, 6% और 5% हैं।

अंत में, हम सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग श्रृंखला में सब्सट्रेट्स की तकनीकी बाधाओं को तोड़ने पर ध्यान केंद्रित करेंगे।

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की उत्पादन प्रक्रिया सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट के समान है, लेकिन अधिक कठिन है।
सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की विनिर्माण प्रक्रिया में आम तौर पर कच्चे माल का संश्लेषण, क्रिस्टल विकास, पिंड प्रसंस्करण, पिंड काटना, वेफर पीसना, पॉलिशिंग, सफाई और अन्य लिंक शामिल होते हैं।
क्रिस्टल विकास चरण पूरी प्रक्रिया का मूल है, और यह चरण सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के विद्युत गुणों को निर्धारित करता है।

सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री को सामान्य परिस्थितियों में तरल चरण में विकसित करना मुश्किल होता है। आज बाजार में लोकप्रिय वाष्प चरण वृद्धि विधि में वृद्धि तापमान 2300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर है और वृद्धि तापमान के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता है। संपूर्ण ऑपरेशन प्रक्रिया का निरीक्षण करना लगभग कठिन है। थोड़ी सी त्रुटि से उत्पाद नष्ट हो जाएगा। इसकी तुलना में, सिलिकॉन सामग्री को केवल 1600℃ की आवश्यकता होती है, जो बहुत कम है। सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट तैयार करने में धीमी क्रिस्टल वृद्धि और उच्च क्रिस्टल फॉर्म आवश्यकताओं जैसी कठिनाइयों का भी सामना करना पड़ता है। सिलिकॉन कार्बाइड वेफर के विकास में लगभग 7 से 10 दिन लगते हैं, जबकि सिलिकॉन रॉड खींचने में केवल ढाई दिन लगते हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड एक ऐसा पदार्थ है जिसकी कठोरता हीरे के बाद दूसरे स्थान पर है। काटने, पीसने और पॉलिश करने के दौरान यह बहुत कुछ खो देगा, और आउटपुट अनुपात केवल 60% है।

हम जानते हैं कि प्रवृत्ति सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स के आकार को बढ़ाने की है, जैसे-जैसे आकार बढ़ता जा रहा है, व्यास विस्तार तकनीक की आवश्यकताएं अधिक से अधिक होती जा रही हैं। क्रिस्टल की पुनरावृत्तीय वृद्धि को प्राप्त करने के लिए विभिन्न तकनीकी नियंत्रण तत्वों के संयोजन की आवश्यकता होती है।