מהם החסמים הטכניים בפני סיליקון קרביד?

הדור הראשון של חומרים מוליכים למחצה מיוצג על ידי סיליקון מסורתי (Si) וגרמניום (Ge), שהם הבסיס לייצור מעגלים משולבים. הם נמצאים בשימוש נרחב בטרנזיסטורים וגלאים במתח נמוך, בתדר נמוך והספק נמוך. יותר מ-90% ממוצרי המוליכים למחצה עשויים מחומרים מבוססי סיליקון;
חומרים מוליכים למחצה מהדור השני מיוצגים על ידי גליום ארסניד (GaAs), אינדיום פוספיד (InP) וגליום פוספיד (GaP). בהשוואה למכשירים מבוססי סיליקון, יש להם תכונות אופטו-אלקטרוניקה בתדר גבוה ובמהירות גבוהה ונמצאים בשימוש נרחב בתחומי האופטו-אלקטרוניקה והמיקרו-אלקטרוניקה. ;
הדור השלישי של חומרים מוליכים למחצה מיוצג על ידי חומרים מתעוררים כגון סיליקון קרביד (SiC), גליום ניטריד (GaN), תחמוצת אבץ (ZnO), יהלום (C) ואלומיניום ניטריד (AlN).

סיליקון קרבידהוא חומר בסיסי חשוב לפיתוח תעשיית המוליכים למחצה מהדור השלישי. התקני כוח סיליקון קרביד יכולים לעמוד ביעילות בדרישות היעילות הגבוהה, המזעור וקלות המשקל של מערכות אלקטרוניות כוח עם עמידות מצוינת במתח גבוה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, אובדן נמוך ותכונות אחרות.

בגלל תכונותיו הפיזיקליות המעולות: פער פס גבוה (המתאים לשדה חשמלי גבוה וצפיפות הספק גבוהה), מוליכות חשמלית גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה, הוא צפוי להפוך לחומר הבסיסי הנפוץ ביותר לייצור שבבי מוליכים למחצה בעתיד . במיוחד בתחומי רכבי אנרגיה חדשים, ייצור חשמל פוטו-וולטאי, מעבר מסילות, רשתות חכמות ועוד תחומים, יש לו יתרונות ברורים.

תהליך הייצור של SiC מחולק לשלושה שלבים עיקריים: צמיחת גביש בודד של SiC, צמיחת שכבה אפיטקסיאלית וייצור מכשירים, המתאימים לארבעת החוליות העיקריות של השרשרת התעשייתית:מצע, אפיטקסיה, מכשירים ומודולים.

השיטה המרכזית של ייצור מצעים משתמשת תחילה בשיטת סובלימציית אדים פיזית כדי לבצע סובלימציה של האבקה בסביבת ואקום בטמפרטורה גבוהה, ולגדל גבישי סיליקון קרביד על פני גביש הזרע באמצעות בקרה של שדה טמפרטורה. באמצעות רקיקת סיליקון קרביד כמצע, שקיעת אדים כימית משמשת להנחת שכבה של גביש בודד על הפריסה ליצירת רקיק אפיטקסיאלי. ביניהם, ניתן להפוך את גידול שכבה אפיטקסיאלית של סיליקון קרביד על מצע סיליקון קרביד מוליך להתקני כוח, המשמשים בעיקר בכלי רכב חשמליים, פוטו וולטאים ותחומים נוספים; גידול שכבה אפיטקסיאלית של גליום ניטריד על חצי בידודמצע סיליקון קרבידיכול להפוך עוד יותר למכשירי תדר רדיו, המשמשים בתקשורת 5G ובתחומים אחרים.

לעת עתה, למצעי סיליקון קרביד יש את החסמים הטכניים הגבוהים ביותר בשרשרת תעשיית הסיליקון קרביד, ומצעי סיליקון קרביד הם הקשים ביותר לייצור.

צוואר הבקבוק בייצור של SiC לא נפתר לחלוטין, ואיכות עמודי הגביש של חומר הגלם אינה יציבה וקיימת בעיית תפוקה, שמובילה לעלות גבוהה של מכשירי SiC. זה לוקח רק 3 ימים בממוצע לחומר סיליקון לגדול למוט קריסטל, אבל זה לוקח שבוע למוט קריסטל סיליקון קרביד. מוט קריסטל סיליקון כללי יכול לגדול באורך 200 ס"מ, אבל מוט קריסטל סיליקון קרביד יכול לגדול רק באורך 2 ס"מ. יתרה מכך, SiC עצמו הוא חומר קשיח ושביר, ופלים העשויים ממנו נוטים לשיתוב קצוות בעת שימוש בחיתוך מכני מסורתי של פרוסות, מה שמשפיע על תפוקת המוצר ואמינותם. מצעי SiC שונים מאוד ממטילי סיליקון מסורתיים, ויש לפתח כל דבר, החל מציוד, תהליכים, עיבוד ועד חיתוך כדי להתמודד עם סיליקון קרביד.

שרשרת תעשיית הסיליקון קרביד מחולקת בעיקרה לארבע חוליות עיקריות: מצע, אפיטקסיה, מכשירים ויישומים. חומרי מצע הם הבסיס של שרשרת התעשייה, חומרים אפיטקסיאליים הם המפתח לייצור מכשירים, מכשירים הם הליבה של שרשרת התעשייה, ויישומים הם הכוח המניע לפיתוח תעשייתי. התעשייה במעלה הזרם משתמשת בחומרי גלם לייצור חומרי מצע באמצעות שיטות סובלימציה פיסיקליות של אדים ושיטות אחרות, ולאחר מכן משתמשת בשיטות של שקיעת אדים כימית ושיטות אחרות לגידול חומרים אפיטקסיאליים. תעשיית הביניים משתמשת בחומרים במעלה הזרם לייצור התקני תדר רדיו, התקני חשמל והתקנים אחרים, המשמשים בסופו של דבר בתקשורת 5G במורד הזרם. , רכבים חשמליים, מעבר רכבת ועוד. ביניהם, מצע ואפיטקסיה מהווים 60% מעלות שרשרת הענף ומהווים את הערך העיקרי של שרשרת התעשייה.

מצע SiC: גבישי SiC מיוצרים בדרך כלל בשיטת Lely. מוצרי מיינסטרים בינלאומיים עוברים מ-4 אינץ' ל-6 אינץ', ופותחו מוצרי מצע מוליכים בגודל 8 אינץ'. מצעים ביתיים הם בעיקר 4 אינץ'. מכיוון שניתן לשדרג ולשנות את קווי הייצור הקיימים של פרוסות סיליקון בגודל 6 אינץ' לייצור התקני SiC, נתח השוק הגבוה של מצעי SiC בגודל 6 אינץ' יישמר לאורך זמן.

תהליך מצע סיליקון קרביד מורכב וקשה לייצור. מצע סיליקון קרביד הוא חומר מוליך למחצה חד-גביש מורכב משני יסודות: פחמן וסיליקון. כיום, התעשייה משתמשת בעיקר באבקת פחמן בטוהר גבוה ובאבקת סיליקון בטוהר גבוה כחומרי גלם לסינתזה של אבקת סיליקון קרביד. תחת שדה טמפרטורה מיוחד, שיטת העברת האדים הפיזיים הבוגרים (שיטת PVT) משמשת לגידול סיליקון קרביד בגדלים שונים בתנור גידול גבישים. מטיל הגביש מעובד לבסוף, חתוך, טחון, מלוטש, מנוקה ועוד תהליכים מרובים אחרים כדי לייצר מצע סיליקון קרביד.