อะไรคืออุปสรรคทางเทคนิคของซิลิคอนคาร์ไบด์?Ⅱ

ปัญหาทางเทคนิคในการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์คุณภาพสูงที่ผลิตจำนวนมากได้อย่างเสถียรพร้อมประสิทธิภาพที่มั่นคง ได้แก่:
1) เนื่องจากคริสตัลจำเป็นต้องเติบโตในสภาพแวดล้อมที่มีการปิดผนึกที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 2000°C ข้อกำหนดในการควบคุมอุณหภูมิจึงสูงมาก
2) เนื่องจากซิลิคอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างผลึกมากกว่า 200 โครงสร้าง แต่มีเพียงไม่กี่โครงสร้างของซิลิกอนคาร์ไบด์ผลึกเดี่ยวเท่านั้นที่เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่จำเป็น อัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอน การไล่ระดับอุณหภูมิการเติบโต และการเติบโตของคริสตัลจึงจำเป็นต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำในระหว่าง กระบวนการเจริญเติบโตของคริสตัล พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความเร็วและความดันการไหลของอากาศ
3) ภายใต้วิธีการส่งผ่านเฟสไอ เทคโนโลยีการขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นเรื่องยากมาก
4) ความแข็งของซิลิคอนคาร์ไบด์ใกล้เคียงกับเพชร และเทคนิคการตัด การเจียร และการขัดเงานั้นทำได้ยาก

เวเฟอร์ SiC เอปิแอกเชียล: มักผลิตโดยวิธีการสะสมไอสารเคมี (CVD) ตามประเภทยาสลบที่แตกต่างกัน พวกมันจะถูกแบ่งออกเป็นเวเฟอร์ epitaxis ชนิด n และชนิด p Hantian Tiancheng และ Dongguan Tianyu ในประเทศสามารถจัดหาเวเฟอร์ SiC epitaxial ขนาด 4 นิ้ว/6 นิ้วได้แล้ว สำหรับ SiC epitaxy การควบคุมในสนามไฟฟ้าแรงสูงทำได้ยาก และคุณภาพของ SiC epitaxy มีผลกระทบต่ออุปกรณ์ SiC มากขึ้น นอกจากนี้ อุปกรณ์อีพิเทเชียลยังถูกผูกขาดโดยบริษัทชั้นนำสี่แห่งในอุตสาหกรรม ได้แก่ Axitron, LPE, TEL และ Nuflare

ซิลิกอนคาร์ไบด์เอพิเทเชียลเวเฟอร์หมายถึงเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ซึ่งมีฟิล์มผลึกเดี่ยว (ชั้น epitaxis) ที่มีข้อกำหนดบางประการและเหมือนกับคริสตัลของซับสเตรตที่ถูกปลูกไว้บนซับสเตรตของซิลิคอนคาร์ไบด์ดั้งเดิม การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวส่วนใหญ่ใช้อุปกรณ์ CVD (Chemical Vapour Deposition, ) หรืออุปกรณ์ MBE (Molecular Beam Epitaxy) เนื่องจากอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ผลิตขึ้นโดยตรงในชั้นเอพิแทกเซียล คุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลจึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและผลผลิตของอุปกรณ์ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าทนต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความหนาของชั้น epitaxis ที่สอดคล้องกันจะหนาขึ้นและการควบคุมจะยากขึ้น โดยทั่วไป เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 600V ความหนาของชั้น epitaxis ที่ต้องการจะอยู่ที่ประมาณ 6 ไมครอน เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 1200-1700V ความหนาของชั้น epitaxis ที่ต้องการจะอยู่ที่ 10-15 ไมครอน หากแรงดันไฟฟ้าสูงถึงมากกว่า 10,000 โวลต์ อาจจำเป็นต้องมีความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลมากกว่า 100 ไมครอน เนื่องจากความหนาของชั้นอีพิแทกเซียลเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การควบคุมความหนาและความสม่ำเสมอของความต้านทานไฟฟ้าและความหนาแน่นของข้อบกพร่องจึงทำได้ยากขึ้น

อุปกรณ์ SiC: ในระดับสากล SiC SBD และ MOSFET ขนาด 600~1700V ได้รับการพัฒนาอุตสาหกรรมแล้ว ผลิตภัณฑ์กระแสหลักทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 1200V และเลือกใช้บรรจุภัณฑ์ TO เป็นหลัก ในแง่ของราคา ผลิตภัณฑ์ SiC ในตลาดต่างประเทศมีราคาสูงกว่าผลิตภัณฑ์ Si อื่นๆ ประมาณ 5-6 เท่า อย่างไรก็ตามราคากำลังลดลงในอัตรา 10% ต่อปี ด้วยการขยายตัวของการผลิตวัสดุและอุปกรณ์ต้นน้ำในอีก 2-3 ปีข้างหน้า อุปทานของตลาดจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ราคาลดลงอีก คาดว่าเมื่อราคาสูงถึง 2-3 เท่าของผลิตภัณฑ์ Si ข้อดีของระบบที่ลดลงและประสิทธิภาพที่ดีขึ้นจะค่อยๆ ขับเคลื่อน SiC ให้ครอบครองพื้นที่ตลาดของอุปกรณ์ Si
บรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมนั้นใช้พื้นผิวที่ทำจากซิลิคอน ในขณะที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามจำเป็นต้องมีการออกแบบใหม่ทั้งหมด การใช้โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ที่ใช้ซิลิกอนแบบดั้งเดิมสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟแบบแบนด์แกปกว้างสามารถนำเสนอปัญหาและความท้าทายใหม่ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความถี่ การจัดการระบายความร้อน และความน่าเชื่อถือ อุปกรณ์จ่ายไฟ SiC มีความไวต่อความจุและการเหนี่ยวนำของปรสิตมากกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ Si ชิปพลังงาน SiC มีความเร็วในการสลับที่เร็วกว่า ซึ่งอาจนำไปสู่การโอเวอร์ชูต การแกว่ง การสูญเสียการสลับที่เพิ่มขึ้น และแม้แต่อุปกรณ์ทำงานผิดปกติ นอกจากนี้ อุปกรณ์จ่ายไฟ SiC ยังทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า ซึ่งต้องใช้เทคนิคการจัดการระบายความร้อนขั้นสูงมากขึ้น

โครงสร้างที่แตกต่างกันมากมายได้รับการพัฒนาในด้านบรรจุภัณฑ์พลังงานเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง บรรจุภัณฑ์โมดูลพลังงานแบบ Si แบบดั้งเดิมไม่เหมาะอีกต่อไป เพื่อแก้ปัญหาพารามิเตอร์ปรสิตสูงและประสิทธิภาพการกระจายความร้อนต่ำของบรรจุภัณฑ์โมดูลพลังงานที่ใช้ Si แบบดั้งเดิม บรรจุภัณฑ์โมดูลพลังงาน SiC ใช้การเชื่อมต่อโครงข่ายไร้สายและเทคโนโลยีระบายความร้อนสองด้านในโครงสร้าง และยังใช้วัสดุพื้นผิวที่มีความร้อนที่ดีกว่า และพยายามรวมตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน เซ็นเซอร์อุณหภูมิ/กระแส และวงจรขับเคลื่อนเข้ากับโครงสร้างโมดูล และพัฒนาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์โมดูลต่างๆ ที่หลากหลาย นอกจากนี้ยังมีอุปสรรคทางเทคนิคในระดับสูงในการผลิตอุปกรณ์ SiC และต้นทุนการผลิตก็สูง

อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ผลิตโดยการฝากชั้นเอปิแอกเซียลไว้บนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ผ่าน CVD กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการทำความสะอาด ออกซิเดชัน การพิมพ์หินด้วยแสง การแกะสลัก การลอกของตัวต้านทานแสง การฝังไอออน การสะสมไอสารเคมีของซิลิคอนไนไตรด์ การขัดเงา การสปัตเตอร์ และขั้นตอนการประมวลผลที่ตามมาเพื่อสร้างโครงสร้างอุปกรณ์บนพื้นผิวผลึกเดี่ยว SiC อุปกรณ์จ่ายไฟ SiC ประเภทหลัก ได้แก่ ไดโอด SiC, ทรานซิสเตอร์ SiC และโมดูลจ่ายไฟ SiC เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความเร็วในการผลิตวัสดุขั้นต้นที่ช้าและอัตราผลตอบแทนต่ำ อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงมีต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง

นอกจากนี้ การผลิตอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังมีปัญหาทางเทคนิคบางประการ:
1) จำเป็นต้องพัฒนากระบวนการเฉพาะที่สอดคล้องกับลักษณะของวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ ตัวอย่างเช่น: SiC มีจุดหลอมเหลวสูง ซึ่งทำให้การแพร่กระจายความร้อนแบบเดิมไม่ได้ผล จำเป็นต้องใช้วิธีการเติมไอออนและควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น อุณหภูมิ อัตราการให้ความร้อน ระยะเวลา และการไหลของก๊าซอย่างแม่นยำ SiC เป็นสารเฉื่อยต่อตัวทำละลายเคมี ควรใช้วิธีการต่างๆ เช่น การกัดแบบแห้ง และวัสดุปิดบัง ส่วนผสมของก๊าซ การควบคุมความลาดเอียงของแก้มยาง อัตราการกัด ความหยาบของแก้มยาง ฯลฯ ควรได้รับการปรับปรุงและพัฒนา
2) การผลิตอิเล็กโทรดโลหะบนเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ต้องมีความต้านทานการสัมผัสต่ำกว่า 10-5Ω2 วัสดุอิเล็กโทรดที่ตรงตามข้อกำหนด Ni และ Al มีเสถียรภาพทางความร้อนต่ำที่สูงกว่า 100°C แต่ Al/Ni มีเสถียรภาพทางความร้อนดีกว่า ความต้านทานเฉพาะหน้าสัมผัสของวัสดุอิเล็กโทรดคอมโพสิต /W/Au สูงกว่า 10-3Ω2
3) SiC มีการสึกหรอในการตัดสูง และความแข็งของ SiC เป็นอันดับสองรองจากเพชร ซึ่งทำให้มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับการตัด การเจียร การขัดเงา และเทคโนโลยีอื่น ๆ
นอกจากนี้ อุปกรณ์ส่งกำลังซิลิคอนคาร์ไบด์ร่องลึกยังผลิตได้ยากกว่า ตามโครงสร้างอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน อุปกรณ์พลังงานซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถแบ่งออกเป็นอุปกรณ์ระนาบและอุปกรณ์ร่องลึกเป็นหลัก อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิคอนคาร์ไบด์ระนาบมีความสม่ำเสมอของหน่วยที่ดีและกระบวนการผลิตที่เรียบง่าย แต่มีแนวโน้มที่จะได้รับผลกระทบจาก JFET และมีความจุปรสิตสูงและความต้านทานในสถานะ เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ระนาบ อุปกรณ์กำลังซิลิคอนคาร์ไบด์ร่องลึกมีความสม่ำเสมอของหน่วยต่ำกว่าและมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม โครงสร้างร่องลึกก้นสมุทรเอื้อต่อการเพิ่มความหนาแน่นของหน่วยอุปกรณ์ และมีโอกาสน้อยที่จะสร้างเอฟเฟกต์ JFET ซึ่งเป็นประโยชน์ในการแก้ปัญหาการเคลื่อนที่ของช่องสัญญาณ มันมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น ความต้านทานออนต่ำ ความจุของปรสิตน้อย และการใช้พลังงานสวิตชิ่งต่ำ มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนและประสิทธิภาพที่สำคัญ และกลายเป็นทิศทางหลักของการพัฒนาอุปกรณ์พลังงานซิลิคอนคาร์ไบด์ ตามเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ Rohm โครงสร้าง ROHM Gen3 (โครงสร้าง Gen1 Trench) เป็นเพียง 75% ของพื้นที่ชิป Gen2 (Plannar2) และความต้านทานออนของโครงสร้าง ROHM Gen3 จะลดลง 50% ภายใต้ขนาดชิปเดียวกัน

วัสดุตั้งต้นของซิลิคอนคาร์ไบด์ เยื่อบุผิว ส่วนหน้า ค่าใช้จ่ายด้านการวิจัยและพัฒนา และอื่นๆ คิดเป็น 47%, 23%, 19%, 6% และ 5% ของต้นทุนการผลิตอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ตามลำดับ

สุดท้ายนี้ เราจะมุ่งเน้นไปที่การทำลายอุปสรรคทางเทคนิคของซับสเตรตในห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์

กระบวนการผลิตซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการผลิตซับสเตรตที่มีซิลิคอนคาร์ไบด์ แต่จะยากกว่า
โดยทั่วไปกระบวนการผลิตของซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ประกอบด้วยการสังเคราะห์วัตถุดิบ การเจริญเติบโตของผลึก การแปรรูปลิ่ม การตัดลิ่ม การบดแผ่นเวเฟอร์ การขัดเงา การทำความสะอาด และการเชื่อมโยงอื่นๆ
ระยะการเจริญเติบโตของผลึกเป็นแกนหลักของกระบวนการทั้งหมด และขั้นตอนนี้จะกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์

วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์เติบโตได้ยากในสถานะของเหลวภายใต้สภาวะปกติ วิธีการเจริญเติบโตแบบไอซึ่งเป็นที่นิยมในตลาดปัจจุบันมีอุณหภูมิการเติบโตสูงกว่า 2,300°C และต้องการการควบคุมอุณหภูมิการเจริญเติบโตอย่างแม่นยำ กระบวนการดำเนินการทั้งหมดแทบจะสังเกตได้ยาก ข้อผิดพลาดเล็กน้อยจะนำไปสู่การทำลายผลิตภัณฑ์ ในการเปรียบเทียบ วัสดุซิลิกอนต้องการเพียง 1600°C ซึ่งต่ำกว่ามาก การเตรียมซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ยังเผชิญกับความยากลำบาก เช่น การเติบโตของผลึกช้าและความต้องการรูปแบบผลึกสูง การเจริญเติบโตของเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ใช้เวลาประมาณ 7 ถึง 10 วัน ในขณะที่การดึงแท่งซิลิกอนจะใช้เวลาเพียง 2 วันครึ่งเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังเป็นวัสดุที่มีความแข็งเป็นอันดับสองรองจากเพชรเท่านั้น มันจะสูญเสียมากในระหว่างการตัด เจียร และขัด และอัตราส่วนผลผลิตเพียง 60%

เรารู้ว่าแนวโน้มคือการเพิ่มขนาดของซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ เนื่องจากขนาดยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ข้อกำหนดสำหรับเทคโนโลยีการขยายเส้นผ่านศูนย์กลางจึงสูงขึ้นเรื่อยๆ ต้องใช้องค์ประกอบควบคุมทางเทคนิคต่างๆ ร่วมกันเพื่อให้เกิดการเติบโตของคริสตัลซ้ำๆ