सिलिकॉन कार्बाइडसाठी तांत्रिक अडथळे कोणते आहेत?Ⅱ

स्थिर कार्यक्षमतेसह उच्च-गुणवत्तेचे सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स स्थिरपणे मोठ्या प्रमाणात तयार करण्यात तांत्रिक अडचणींचा समावेश आहे:

1) क्रिस्टल्स 2000 डिग्री सेल्सियसपेक्षा जास्त तापमानात सीलबंद वातावरणात वाढणे आवश्यक असल्याने, तापमान नियंत्रण आवश्यकता अत्यंत उच्च आहेत;
2) सिलिकॉन कार्बाइडमध्ये 200 पेक्षा जास्त क्रिस्टल स्ट्रक्चर्स असल्याने, परंतु सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन कार्बाइडच्या फक्त काही रचना आवश्यक अर्धसंवाहक सामग्री आहेत, सिलिकॉन-टू-कार्बन गुणोत्तर, वाढ तापमान ग्रेडियंट आणि क्रिस्टल वाढ दरम्यान अचूकपणे नियंत्रित करणे आवश्यक आहे. क्रिस्टल वाढ प्रक्रिया. गती आणि वायु प्रवाह दाब यांसारखे पॅरामीटर्स;
3) वाफ फेज ट्रांसमिशन पद्धती अंतर्गत, सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल वाढीचे व्यास विस्तार तंत्रज्ञान अत्यंत कठीण आहे;
4) सिलिकॉन कार्बाइडची कडकपणा हिऱ्याच्या जवळ आहे आणि कटिंग, ग्राइंडिंग आणि पॉलिशिंग तंत्र कठीण आहे.

SiC epitaxial wafers: सामान्यतः रासायनिक वाष्प जमा (CVD) पद्धतीने तयार केले जाते. वेगवेगळ्या डोपिंग प्रकारांनुसार, ते एन-टाइप आणि पी-टाइप एपिटॅक्सियल वेफर्समध्ये विभागलेले आहेत. घरगुती हंटियन तियानचेंग आणि डोंगगुआन टियान्यु आधीच 4-इंच/6-इंच SiC एपिटॅक्सियल वेफर्स प्रदान करू शकतात. SiC epitaxy साठी, उच्च-व्होल्टेज फील्डमध्ये नियंत्रित करणे कठीण आहे आणि SiC epitaxy च्या गुणवत्तेचा SiC उपकरणांवर जास्त प्रभाव पडतो. शिवाय, epitaxial उपकरणे उद्योगातील चार आघाडीच्या कंपन्यांची मक्तेदारी आहे: Axitron, LPE, TEL आणि Nuflare.

सिलिकॉन कार्बाइड एपिटॅक्सियलवेफर म्हणजे सिलिकॉन कार्बाइड वेफर ज्यामध्ये विशिष्ट आवश्यकतांसह एकल क्रिस्टल फिल्म (एपिटॅक्सियल लेयर) आणि मूळ सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटवर सब्सट्रेट क्रिस्टल प्रमाणेच उगवले जाते. एपिटॅक्सियल ग्रोथ मुख्यत्वे CVD (केमिकल वाष्प डिपॉझिशन, ) उपकरणे किंवा MBE (मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी) उपकरणे वापरतात. सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणे थेट एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये तयार केली जात असल्याने, एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता डिव्हाइसच्या कार्यक्षमतेवर आणि उत्पन्नावर थेट परिणाम करते. यंत्राच्या व्होल्टेजसह कार्यक्षमतेत वाढ होत राहिल्याने, संबंधित एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी अधिक जाड होते आणि नियंत्रण अधिक कठीण होते. साधारणपणे, जेव्हा व्होल्टेज सुमारे 600V असते, तेव्हा आवश्यक एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी सुमारे 6 मायक्रॉन असते; जेव्हा व्होल्टेज 1200-1700V च्या दरम्यान असते, तेव्हा आवश्यक एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी 10-15 मायक्रॉनपर्यंत पोहोचते. व्होल्टेज 10,000 व्होल्टपेक्षा जास्त असल्यास, 100 मायक्रॉनपेक्षा जास्त जाडीच्या एपिटॅक्सियल लेयरची आवश्यकता असू शकते. एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी जसजशी वाढत जाते, तसतसे जाडी आणि प्रतिरोधक एकसमानता आणि दोष घनता नियंत्रित करणे कठीण होते.

SiC उपकरणे: आंतरराष्ट्रीय स्तरावर, 600~1700V SiC SBD आणि MOSFET औद्योगिकीकरण केले गेले आहेत. मुख्य प्रवाहातील उत्पादने 1200V पेक्षा कमी व्होल्टेज पातळीवर कार्य करतात आणि प्रामुख्याने TO पॅकेजिंगचा अवलंब करतात. किमतीच्या बाबतीत, आंतरराष्ट्रीय बाजारात SiC उत्पादनांची किंमत त्यांच्या Si समकक्षांपेक्षा सुमारे 5-6 पट जास्त आहे. तथापि, किमती 10% वार्षिक दराने कमी होत आहेत. पुढील २-३ वर्षांत अपस्ट्रीम मटेरियल आणि उपकरणांच्या उत्पादनाच्या विस्तारामुळे, बाजारातील पुरवठा वाढेल, ज्यामुळे पुढील किंमती कमी होतील. अशी अपेक्षा आहे की जेव्हा किंमत Si उत्पादनांच्या 2-3 पटीपर्यंत पोहोचते, तेव्हा कमी झालेल्या सिस्टम खर्चामुळे आणि सुधारित कार्यक्षमतेमुळे मिळणारे फायदे SiC ला हळूहळू Si उपकरणांच्या बाजारपेठेतील जागा व्यापतील.
पारंपारिक पॅकेजिंग सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट्सवर आधारित आहे, तर तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्रीसाठी पूर्णपणे नवीन डिझाइन आवश्यक आहे. वाइड-बँडगॅप पॉवर उपकरणांसाठी पारंपारिक सिलिकॉन-आधारित पॅकेजिंग संरचना वापरल्याने वारंवारता, थर्मल व्यवस्थापन आणि विश्वासार्हतेशी संबंधित नवीन समस्या आणि आव्हाने येऊ शकतात. SiC पॉवर उपकरणे परजीवी कॅपेसिटन्स आणि इंडक्टन्ससाठी अधिक संवेदनशील असतात. Si उपकरणांच्या तुलनेत, SiC पॉवर चिप्समध्ये वेगवान स्विचिंग गती असते, ज्यामुळे ओव्हरशूट, दोलन, स्विचिंग नुकसान वाढू शकते आणि डिव्हाइस खराब होऊ शकते. याव्यतिरिक्त, SiC उर्जा उपकरणे उच्च तापमानात कार्य करतात, अधिक प्रगत थर्मल व्यवस्थापन तंत्रांची आवश्यकता असते.

वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर पॉवर पॅकेजिंगच्या क्षेत्रात विविध संरचना विकसित केल्या गेल्या आहेत. पारंपारिक Si-आधारित पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंग यापुढे योग्य नाही. पारंपारिक Si-आधारित पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंगच्या उच्च परजीवी पॅरामीटर्स आणि खराब उष्णता विघटन कार्यक्षमतेच्या समस्यांचे निराकरण करण्यासाठी, SiC पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंग त्याच्या संरचनेत वायरलेस इंटरकनेक्शन आणि डबल-साइड कूलिंग तंत्रज्ञान स्वीकारते आणि चांगल्या थर्मलसह सब्सट्रेट सामग्रीचा अवलंब करते. चालकता, आणि डिकपलिंग कॅपेसिटर, तापमान/वर्तमान सेन्सर्स आणि ड्राईव्ह सर्किट्स समाकलित करण्याचा प्रयत्न केला. मॉड्यूलची रचना, आणि विविध मॉड्यूल पॅकेजिंग तंत्रज्ञान विकसित केले. शिवाय, SiC उपकरण निर्मितीमध्ये उच्च तांत्रिक अडथळे आहेत आणि उत्पादन खर्च जास्त आहेत.

सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणे सीव्हीडीद्वारे सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटवर एपिटॅक्सियल स्तर जमा करून तयार केली जातात. प्रक्रियेमध्ये साफसफाई, ऑक्सिडेशन, फोटोलिथोग्राफी, एचिंग, फोटोरेसिस्टचे स्ट्रिपिंग, आयन इम्प्लांटेशन, सिलिकॉन नायट्राइडचे रासायनिक बाष्प जमा करणे, पॉलिशिंग, स्पटरिंग आणि SiC सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर उपकरणाची रचना तयार करण्यासाठी त्यानंतरच्या प्रक्रियेच्या चरणांचा समावेश होतो. SiC पॉवर उपकरणांच्या मुख्य प्रकारांमध्ये SiC डायोड्स, SiC ट्रान्झिस्टर आणि SiC पॉवर मॉड्यूल यांचा समावेश होतो. मंद अपस्ट्रीम मटेरियल उत्पादन गती आणि कमी उत्पन्न दर यासारख्या घटकांमुळे, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणांचा उत्पादन खर्च तुलनेने जास्त असतो.

याव्यतिरिक्त, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणाच्या निर्मितीमध्ये काही तांत्रिक अडचणी आहेत:

1) सिलिकॉन कार्बाइड सामग्रीच्या वैशिष्ट्यांशी सुसंगत अशी विशिष्ट प्रक्रिया विकसित करणे आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ: SiC मध्ये उच्च वितळण्याचा बिंदू आहे, ज्यामुळे पारंपारिक थर्मल प्रसार अप्रभावी होतो. आयन इम्प्लांटेशन डोपिंग पद्धत वापरणे आणि तापमान, गरम होण्याचा दर, कालावधी आणि वायू प्रवाह यासारख्या पॅरामीटर्सचे अचूक नियंत्रण करणे आवश्यक आहे; SiC रासायनिक सॉल्व्हेंट्ससाठी निष्क्रिय आहे. कोरड्या कोरीव काम या पद्धती वापरल्या पाहिजेत आणि मुखवटा साहित्य, गॅस मिश्रण, साइडवॉल उताराचे नियंत्रण, कोरीव काम दर, साइडवॉलचा खडबडीतपणा इत्यादि अनुकूल आणि विकसित केल्या पाहिजेत;
2) सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्सवर मेटल इलेक्ट्रोडच्या निर्मितीसाठी 10-5Ω2 पेक्षा कमी संपर्क प्रतिकार आवश्यक आहे. आवश्यकता पूर्ण करणारे इलेक्ट्रोड साहित्य, Ni आणि Al, 100°C पेक्षा कमी थर्मल स्थिरता आहे, परंतु Al/Ni ची थर्मल स्थिरता चांगली आहे. /W/Au संमिश्र इलेक्ट्रोड सामग्रीचा संपर्क विशिष्ट प्रतिकार 10-3Ω2 जास्त आहे;
3) SiC मध्ये उच्च कटिंग पोशाख आहे, आणि SiC ची कठोरता हिऱ्यानंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे, जी कटिंग, ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग आणि इतर तंत्रज्ञानासाठी उच्च आवश्यकता पुढे ठेवते.

शिवाय, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणे तयार करणे अधिक कठीण आहे. वेगवेगळ्या उपकरणांच्या संरचनेनुसार, सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणे प्रामुख्याने प्लॅनर डिव्हाइसेस आणि ट्रेंच डिव्हाइसेसमध्ये विभागली जाऊ शकतात. प्लॅनर सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये चांगली युनिट सुसंगतता आणि साधी उत्पादन प्रक्रिया असते, परंतु ते जेएफईटी प्रभावासाठी प्रवण असतात आणि उच्च परजीवी कॅपेसिटन्स आणि ऑन-स्टेट प्रतिरोधक असतात. प्लॅनर उपकरणांच्या तुलनेत, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये कमी युनिट सुसंगतता असते आणि अधिक जटिल उत्पादन प्रक्रिया असते. तथापि, खंदक रचना डिव्हाइस युनिट घनता वाढविण्यासाठी अनुकूल आहे आणि जेएफईटी प्रभाव निर्माण करण्याची शक्यता कमी आहे, जे चॅनेल गतिशीलतेच्या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी फायदेशीर आहे. यात लहान ऑन-रेझिस्टन्स, लहान परजीवी कॅपेसिटन्स आणि कमी स्विचिंग ऊर्जा वापर यासारखे उत्कृष्ट गुणधर्म आहेत. यात महत्त्वपूर्ण किंमत आणि कार्यप्रदर्शन फायदे आहेत आणि सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणांच्या विकासाची मुख्य प्रवाहाची दिशा बनली आहे. Rohm च्या अधिकृत वेबसाइटनुसार, ROHM Gen3 स्ट्रक्चर (Gen1 Trench स्ट्रक्चर) Gen2 (Plannar2) चिप क्षेत्रफळाच्या फक्त 75% आहे, आणि ROHM Gen3 स्ट्रक्चरचा ऑन-रेझिस्टन्स त्याच चिप आकारात 50% ने कमी झाला आहे.

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट, एपिटॅक्सी, फ्रंट-एंड, R&D खर्च आणि इतर अनुक्रमे सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणांच्या उत्पादन खर्चाच्या 47%, 23%, 19%, 6% आणि 5% आहेत.

शेवटी, आम्ही सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग साखळीतील सब्सट्रेट्सचे तांत्रिक अडथळे दूर करण्यावर लक्ष केंद्रित करू.

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्सची उत्पादन प्रक्रिया सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट्ससारखीच आहे, परंतु अधिक कठीण आहे.
सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटच्या उत्पादन प्रक्रियेमध्ये सामान्यतः कच्च्या मालाचे संश्लेषण, क्रिस्टल ग्रोथ, इनगॉट प्रोसेसिंग, इनगॉट कटिंग, वेफर ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग, क्लिनिंग आणि इतर लिंक्स समाविष्ट असतात.
क्रिस्टल वाढीचा टप्पा संपूर्ण प्रक्रियेचा मुख्य भाग आहे आणि ही पायरी सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटचे विद्युत गुणधर्म निर्धारित करते.

सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री सामान्य परिस्थितीत द्रव अवस्थेत वाढणे कठीण आहे. आज बाजारात लोकप्रिय असलेली वाफ फेज वाढीची पद्धत 2300°C पेक्षा जास्त आहे आणि वाढीच्या तापमानावर अचूक नियंत्रण आवश्यक आहे. संपूर्ण ऑपरेशन प्रक्रियेचे निरीक्षण करणे जवळजवळ कठीण आहे. थोड्याशा त्रुटीमुळे उत्पादन स्क्रॅप होईल. तुलनेत, सिलिकॉन सामग्रीसाठी फक्त 1600℃ आवश्यक आहे, जे खूपच कमी आहे. सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स तयार करताना क्रिस्टल्सची मंद वाढ आणि उच्च क्रिस्टल फॉर्म आवश्यकता यासारख्या अडचणींचा सामना करावा लागतो. सिलिकॉन कार्बाइड वेफरच्या वाढीस सुमारे 7 ते 10 दिवस लागतात, तर सिलिकॉन रॉड ओढण्यासाठी फक्त अडीच दिवस लागतात. शिवाय, सिलिकॉन कार्बाइड ही एक सामग्री आहे ज्याची कठोरता हिऱ्यानंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे. कटिंग, ग्राइंडिंग आणि पॉलिशिंग दरम्यान ते खूप गमावेल आणि आउटपुट प्रमाण फक्त 60% आहे.

आम्हाला माहित आहे की सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्सचा आकार वाढवण्याचा ट्रेंड आहे, जसजसा आकार वाढत आहे, तसतसे व्यास विस्तार तंत्रज्ञानाच्या आवश्यकता अधिक आणि उच्च होत आहेत. क्रिस्टल्सची पुनरावृत्ती वाढवण्यासाठी विविध तांत्रिक नियंत्रण घटकांचे संयोजन आवश्यक आहे.