อะไรคืออุปสรรคทางเทคนิคของซิลิคอนคาร์ไบด์?

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ยุคแรกแสดงด้วยซิลิคอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) แบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตวงจรรวม มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในทรานซิสเตอร์และเครื่องตรวจจับแรงดันต่ำ ความถี่ต่ำ และพลังงานต่ำ ผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 90% ทำจากวัสดุที่ทำจากซิลิคอน
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองแสดงโดยแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs), อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และแกลเลียมฟอสไฟด์ (GaP) เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน อุปกรณ์เหล่านี้มีคุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงและความเร็วสูง และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ -
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามแสดงด้วยวัสดุเกิดใหม่ เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ซิงค์ออกไซด์ (ZnO) เพชร (C) และอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)

ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถตอบสนองความต้องการประสิทธิภาพสูง การย่อขนาด และน้ำหนักเบาของระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมีความต้านทานไฟฟ้าแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง การสูญเสียต่ำ และคุณสมบัติอื่น ๆ ที่ยอดเยี่ยม

เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพที่เหนือกว่า: ช่องว่างแถบความถี่สูง (สอดคล้องกับสนามไฟฟ้าที่มีการสลายตัวสูงและความหนาแน่นของพลังงานสูง) ค่าการนำไฟฟ้าสูง และค่าการนำความร้อนสูง คาดว่าจะกลายเป็นวัสดุพื้นฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต . โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านยานพาหนะพลังงานใหม่ การผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ การขนส่งทางรถไฟ กริดอัจฉริยะ และสาขาอื่นๆ มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน

กระบวนการผลิต SiC แบ่งออกเป็นสามขั้นตอนหลัก: การเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC การเติบโตของชั้น epitaxis และการผลิตอุปกรณ์ ซึ่งสอดคล้องกับการเชื่อมโยงหลักสี่ประการของห่วงโซ่อุตสาหกรรม:วัสดุพิมพ์, เยื่อบุผิว, อุปกรณ์และโมดูลต่างๆ

วิธีการผลิตพื้นผิวกระแสหลักขั้นแรกใช้วิธีการระเหิดด้วยไอทางกายภาพเพื่อระเหิดผงในสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่มีอุณหภูมิสูง และปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์บนพื้นผิวของผลึกเมล็ดพืชผ่านการควบคุมสนามอุณหภูมิ การใช้เวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นสารตั้งต้น การสะสมไอสารเคมีจะถูกนำมาใช้เพื่อฝากชั้นของผลึกเดี่ยวไว้บนเวเฟอร์เพื่อสร้างแผ่นเวเฟอร์แบบเอปิเทกเซียล ในหมู่พวกเขา การปลูกชั้น epitaxial ของซิลิคอนคาร์ไบด์บนพื้นผิวของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสามารถนำไปใช้เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ และสาขาอื่นๆ การปลูกชั้น epitaxis ของแกลเลียมไนไตรด์บนกึ่งฉนวนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถนำมาต่อยอดเป็นอุปกรณ์ความถี่วิทยุที่ใช้ในการสื่อสาร 5G และสาขาอื่นๆ ได้

ในปัจจุบัน วัสดุพิมพ์ซิลิกอนคาร์ไบด์มีอุปสรรคทางเทคนิคสูงสุดในห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์ และวัสดุพิมพ์ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุที่ผลิตได้ยากที่สุด

ปัญหาคอขวดในการผลิต SiC ยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ และคุณภาพของเสาคริสตัลวัตถุดิบก็ไม่เสถียร และมีปัญหาด้านผลผลิต ส่งผลให้อุปกรณ์ SiC มีต้นทุนสูง วัสดุซิลิกอนใช้เวลาโดยเฉลี่ยเพียง 3 วันจึงจะเติบโตเป็นแท่งคริสตัล แต่จะใช้เวลาหนึ่งสัปดาห์สำหรับแท่งคริสตัลซิลิคอนคาร์ไบด์ แท่งคริสตัลซิลิกอนทั่วไปสามารถยาวได้ 200 ซม. แต่แท่งคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถยาวได้เพียง 2 ซม. นอกจากนี้ SiC ยังเป็นวัสดุที่แข็งและเปราะ และเวเฟอร์ที่ทำจากมันมีแนวโน้มที่จะเกิดการบิ่นที่ขอบเมื่อใช้การตัดเวเฟอร์แบบตัดด้วยเครื่องจักรแบบดั้งเดิม ซึ่งส่งผลต่อผลผลิตและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ พื้นผิว SiC แตกต่างจากแท่งซิลิคอนแบบดั้งเดิมอย่างมาก และทุกอย่างตั้งแต่อุปกรณ์ กระบวนการ การแปรรูป ไปจนถึงการตัด จำเป็นต้องได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับซิลิคอนคาร์ไบด์

ห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสี่ส่วนหลัก ได้แก่ สารตั้งต้น เอพิแทกซี อุปกรณ์ และการใช้งาน วัสดุพื้นผิวเป็นรากฐานของห่วงโซ่อุตสาหกรรม วัสดุเยื่อบุผิวเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตอุปกรณ์ อุปกรณ์เป็นแกนหลักของห่วงโซ่อุตสาหกรรม และการใช้งานเป็นแรงผลักดันในการพัฒนาอุตสาหกรรม อุตสาหกรรมต้นน้ำใช้วัตถุดิบเพื่อสร้างวัสดุพื้นผิวผ่านวิธีการระเหิดด้วยไอทางกายภาพและวิธีการอื่น ๆ จากนั้นใช้วิธีการสะสมไอสารเคมีและวิธีอื่น ๆ เพื่อสร้างวัสดุเยื่อบุผิว อุตสาหกรรมกลางน้ำใช้วัสดุต้นน้ำเพื่อสร้างอุปกรณ์ความถี่วิทยุ อุปกรณ์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะใช้ในการสื่อสาร 5G ดาวน์สตรีม ยานพาหนะไฟฟ้า การขนส่งทางรถไฟ ฯลฯ สารตั้งต้นและ epitaxy คิดเป็น 60% ของต้นทุนของห่วงโซ่อุตสาหกรรม และเป็นมูลค่าหลักของห่วงโซ่อุตสาหกรรม

สารตั้งต้น SiC: โดยทั่วไปแล้วผลึก SiC จะถูกผลิตขึ้นโดยใช้วิธี Lely ผลิตภัณฑ์กระแสหลักระหว่างประเทศกำลังเปลี่ยนจาก 4 นิ้วเป็น 6 นิ้ว และผลิตภัณฑ์ซับสเตรตที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าขนาด 8 นิ้วได้รับการพัฒนา พื้นผิวในประเทศส่วนใหญ่มีขนาด 4 นิ้ว เนื่องจากสายการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนขนาด 6 นิ้วที่มีอยู่สามารถอัปเกรดและเปลี่ยนรูปแบบเพื่อผลิตอุปกรณ์ SiC ได้ ส่วนแบ่งการตลาดที่สูงของซับสเตรต SiC ขนาด 6 นิ้วจะยังคงอยู่ต่อไปเป็นเวลานาน

กระบวนการซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์มีความซับซ้อนและยากในการผลิต สารตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุผลึกเดี่ยวแบบผสมที่ประกอบด้วยสององค์ประกอบ: คาร์บอนและซิลิคอน ปัจจุบันอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ผงคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงและผงซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์ผงซิลิกอนคาร์ไบด์ ภายใต้สนามอุณหภูมิพิเศษ วิธีการส่งผ่านไอทางกายภาพที่สมบูรณ์ (วิธี PVT) จะใช้ในการปลูกซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาดต่างๆ ในเตาปลูกคริสตัล ในที่สุดแท่งคริสตัลก็ได้รับการประมวลผล ตัด บด ขัด ทำความสะอาด และกระบวนการอื่นๆ มากมายเพื่อผลิตซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์