ለሲሊኮን ካርቦይድ የቴክኒክ እንቅፋቶች ምንድናቸው?

የተረጋጋ አፈጻጸም ያላቸው ከፍተኛ ጥራት ያላቸው የሲሊኮን ካርቦይድ ዋፈሮች በተረጋጋ ሁኔታ በብዛት በማምረት ረገድ ያሉ ቴክኒካዊ ችግሮች የሚከተሉትን ያካትታሉ፡

1) ክሪስታሎች ከ2000°ሴ በላይ በሆነ ከፍተኛ ሙቀት ባለው የታሸገ አካባቢ ውስጥ ማደግ ስለሚያስፈልጋቸው የሙቀት መቆጣጠሪያ መስፈርቶች እጅግ በጣም ከፍተኛ ናቸው፤
2) ሲሊከን ካርቦይድ ከ200 በላይ የክሪስታል አወቃቀሮች ስላሉት፣ ነገር ግን የሚያስፈልጉት የሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ጥቂት የነጠላ ክሪስታል ሲሊከን ካርቦይድ አወቃቀሮች ብቻ ናቸው፣ የሲሊኮን-ከካርቦን ጥምርታ፣ የእድገት የሙቀት መጠን ቅልመት እና የክሪስታል እድገት በክሪስታል እድገት ሂደት ውስጥ በትክክል ቁጥጥር ሊደረግባቸው ይገባል። እንደ ፍጥነት እና የአየር ፍሰት ግፊት ያሉ መለኪያዎች፤
3) በእንፋሎት ደረጃ ማስተላለፊያ ዘዴ ስር፣ የሲሊኮን ካርቦይድ ክሪስታል እድገት ዲያሜትር የማስፋፊያ ቴክኖሎጂ እጅግ በጣም አስቸጋሪ ነው፤
4) የሲሊኮን ካርቦይድ ጥንካሬ ከአልማዝ ጥንካሬ ጋር ይቀራረባል፣ እና የመቁረጥ፣ የመፍጨት እና የማጥራት ዘዴዎች አስቸጋሪ ናቸው።

የሲሲ ኤፒታክሲያል ዋፈርስ፡- ብዙውን ጊዜ የሚመረተው በኬሚካል ትነት ማስቀመጫ (CVD) ዘዴ ነው። በተለያዩ የዶፒንግ ዓይነቶች መሠረት፣ በn-type እና p-type ኤፒታክሲያል ዋፈርስ ይከፈላሉ። የሀገር ውስጥ ሃንቲያን ቲያንቼንግ እና ዶንግጓን ቲያንዩ ቀድሞውኑ 4-inch/6-inch SiC ኤፒታክሲያል ዋፈርስ ማቅረብ ይችላሉ። ለሲሲ ኤፒታክሲ፣ በከፍተኛ ቮልቴጅ መስክ ውስጥ ለመቆጣጠር አስቸጋሪ ነው፣ እና የሲሲ ኤፒታክሲ ጥራት በሲሲ መሳሪያዎች ላይ የበለጠ ተጽዕኖ ያሳድራል። ከዚህም በላይ፣ ኤፒታክሲያል መሳሪያዎች በኢንዱስትሪው ውስጥ ባሉ አራት ግንባር ቀደም ኩባንያዎች ማለትም በአክሲትሮን፣ LPE፣ TEL እና Nuflare ቁጥጥር ይደረግባቸዋል።

ሲሊከን ካርቦይድ ኤፒታክሲያልዋፈር የሚያመለክተው የተወሰኑ መስፈርቶች ያሉት እና ከንጥረ ነገር ክሪስታል ጋር ተመሳሳይ የሆነ ነጠላ ክሪስታል ፊልም (ኤፒታክሲያል ንብርብር) በመጀመሪያው የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፍ ላይ የሚበቅልበትን የሲሊኮን ካርቦይድ ዋፈርን ነው። ኤፒታክሲያል እድገት በዋናነት የCVD (የኬሚካል ትነት ዲፖዚሽን፣) መሳሪያዎችን ወይም የMBE (ሞለኪውላር ቢም ኤፒታክሲ) መሳሪያዎችን ይጠቀማል። የሲሊኮን ካርቦይድ መሳሪያዎች በቀጥታ በኤፒታክሲያል ንብርብር ውስጥ ስለሚመረቱ የኤፒታክሲያል ንብርብር ጥራት በቀጥታ የመሳሪያውን አፈጻጸም እና ምርት ላይ ተጽዕኖ ያሳድራል። የመሳሪያው የቮልቴጅ መቋቋም አፈጻጸም እየጨመረ ሲሄድ፣ የተዛማጅ ኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት ወፍራም ይሆናል እና መቆጣጠሪያው የበለጠ አስቸጋሪ ይሆናል። በአጠቃላይ፣ ቮልቴጁ 600V አካባቢ ሲሆን፣ የሚፈለገው የኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት 6 ማይክሮን ያህል ነው፤ ቮልቴጁ ከ1200-1700V መካከል ሲሆን፣ የሚፈለገው የኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት ከ10-15 ማይክሮን ይደርሳል። ቮልቴጁ ከ10,000 ቮልት በላይ ከሆነ፣ ከ100 ማይክሮን በላይ የሆነ የኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት ሊያስፈልግ ይችላል። የኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት እየጨመረ ሲሄድ፣ ውፍረትን እና የመቋቋም አቅምን ተመሳሳይነት እና የጉድለት ጥግግትን ለመቆጣጠር አስቸጋሪ እየሆነ መጥቷል።

የሲሲሲ መሳሪያዎች፡- በዓለም አቀፍ ደረጃ፣ 600~1700V SiC SBD እና MOSFET በኢንዱስትሪ ደረጃ ላይ ይገኛሉ። ዋና ዋናዎቹ ምርቶች ከ1200V በታች ባለው የቮልቴጅ ደረጃ የሚሰሩ ሲሆን በዋናነት ወደ ማሸጊያነት ይወስዳሉ። በዋጋ አሰጣጥ ረገድ፣ በዓለም አቀፍ ገበያ ላይ ያሉ የሲሲ ምርቶች ከሲ አቻዎቻቸው በ5-6 እጥፍ ከፍ ብለው ዋጋ አላቸው። ሆኖም፣ ዋጋዎች በየዓመቱ በ10% እየቀነሱ ሲሆን፣ በሚቀጥሉት 2-3 ዓመታት ውስጥ የላይኛው ቁሶች እና የመሳሪያዎች ምርት መስፋፋት የገበያ አቅርቦቱ ይጨምራል፣ ይህም ተጨማሪ የዋጋ ቅነሳዎችን ያስከትላል። ዋጋው ከሲ ምርቶች 2-3 እጥፍ ሲደርስ፣ የስርዓት ወጪዎችን በመቀነስ እና የተሻሻለ አፈፃፀም የሚያስገኛቸው ጥቅሞች ሲሲ ቀስ በቀስ የሲ መሳሪያዎችን የገበያ ቦታ እንዲይዝ ያደርጋቸዋል ተብሎ ይጠበቃል።
ባህላዊ ማሸጊያዎች በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ንጣፎች ላይ የተመሰረቱ ሲሆኑ፣ የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ደግሞ ሙሉ በሙሉ አዲስ ዲዛይን ያስፈልጋቸዋል። ለሰፊ ባንድጋፕ የኃይል መሳሪያዎች ባህላዊ ሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ የማሸጊያ አወቃቀሮችን መጠቀም ከድግግሞሽ፣ ከሙቀት አስተዳደር እና ከአስተማማኝነት ጋር የተያያዙ አዳዲስ ችግሮችን እና ተግዳሮቶችን ሊያመጣ ይችላል። የSiC የኃይል መሳሪያዎች ለፓራሳይቲክ አቅም እና ኢንዳክታንስ የበለጠ ስሜታዊ ናቸው። ከSi መሳሪያዎች ጋር ሲነፃፀሩ፣ የSiC የኃይል ቺፖች ፈጣን የመቀየሪያ ፍጥነት አላቸው፣ ይህም ከመጠን በላይ መወዛወዝ፣ መወዛወዝ፣ የመቀየሪያ ኪሳራዎችን መጨመር እና የመሳሪያ ብልሽቶችን እንኳን ሊያስከትል ይችላል። በተጨማሪም፣ የSiC የኃይል መሳሪያዎች በከፍተኛ ሙቀት ይሰራሉ፣ ይህም የበለጠ የላቁ የሙቀት አስተዳደር ቴክኒኮችን ይፈልጋሉ።

ሰፊ-ባንድ ክፍተት ሴሚኮንዳክተር የኃይል ማሸጊያ መስክ ውስጥ የተለያዩ የተለያዩ መዋቅሮች ተዘጋጅተዋል። ባህላዊ Si-ተኮር የኃይል ሞጁል ማሸጊያ ከአሁን በኋላ ተስማሚ አይደለም። ከፍተኛ ጥገኛ መለኪያዎችን እና ባህላዊ Si-ተኮር የኃይል ሞጁል ማሸጊያዎችን ደካማ የሙቀት ማሰራጫ ቅልጥፍናን ለመፍታት፣ SiC የኃይል ሞጁል ማሸጊያ በገመድ አልባ ግንኙነት እና ባለ ሁለት ጎን የማቀዝቀዣ ቴክኖሎጂን በመዋቅሩ ውስጥ ይቀበላል፣ እንዲሁም የተሻለ የሙቀት ማስተላለፊያ ያላቸውን የንጥረ ነገር ቁሳቁሶችን ይቀበላል፣ እና የመገጣጠሚያ መያዣዎችን፣ የሙቀት/የአሁኑ ዳሳሾችን እና የማሽከርከር ወረዳዎችን ወደ ሞጁል መዋቅር ለማዋሃድ ሞክሯል፣ እና የተለያዩ የሞጁል ማሸጊያ ቴክኖሎጂዎችን አዘጋጅቷል። ከዚህም በላይ ለSiC መሣሪያ ማምረቻ ከፍተኛ የቴክኒክ እንቅፋቶች አሉ እና የማምረቻ ወጪዎች ከፍተኛ ናቸው።

የሲሊኮን ካርቦይድ መሳሪያዎች የሚመነጩት በሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፍ ላይ በሲቪዲ በኩል ኤፒታክሲያል ንብርብሮችን በማስቀመጥ ነው። ሂደቱ ማጽዳት፣ ኦክሳይድ ማድረግ፣ ፎቶሊቶግራፊ ማድረግ፣ ቅርጻቅርጽ ማድረግ፣ የፎቶ ተከላካይ ማስወገድ፣ የአዮን ተከላ፣ የሲሊኮን ናይትሬድ የኬሚካል ትነት ክምችት፣ ማጥራት፣ ስፕተር ማድረግ እና በሲሲ ነጠላ ክሪስታል ንጣፍ ላይ የመሳሪያውን መዋቅር ለመፍጠር ቀጣይ የማቀነባበሪያ ደረጃዎችን ያካትታል። ዋና ዋና የሲሲ የኃይል መሳሪያዎች ዓይነቶች የሲሲ ዳዮዶች፣ የሲሲ ትራንዚስተሮች እና የሲሲ የኃይል ሞጁሎችን ያካትታሉ። እንደ ቀርፋፋ የላይኛው የቁስ ምርት ፍጥነት እና ዝቅተኛ የምርት መጠን ባሉ ምክንያቶች የተነሳ የሲሊኮን ካርቦይድ መሳሪያዎች በአንጻራዊ ሁኔታ ከፍተኛ የማምረቻ ወጪዎች አሏቸው።

በተጨማሪም፣ የሲሊኮን ካርቦይድ መሳሪያዎች ማምረት የተወሰኑ የቴክኒክ ችግሮች አሉት፡

1) ከሲሊኮን ካርቦይድ ቁሳቁሶች ባህሪያት ጋር የሚስማማ የተለየ ሂደት ማዘጋጀት አስፈላጊ ነው። ለምሳሌ፡ SiC ከፍተኛ የማቅለጥ ነጥብ አለው፣ ይህም ባህላዊውን የሙቀት ስርጭት ውጤታማ አያደርገውም። የአዮን ተከላ ዶፒንግ ዘዴን መጠቀም እና እንደ የሙቀት መጠን፣ የማሞቂያ ፍጥነት፣ የቆይታ ጊዜ እና የጋዝ ፍሰት ያሉ መለኪያዎችን በትክክል መቆጣጠር አስፈላጊ ነው፤ SiC ለኬሚካል መሟሟቶች የማይንቀሳቀስ ነው። እንደ ደረቅ ቅርፊት ያሉ ዘዴዎች ጥቅም ላይ መዋል አለባቸው፣ እና ጭንብል የሚደረጉ ቁሳቁሶችን፣ የጋዝ ድብልቆችን፣ የጎን ግድግዳ ቁልቁለትን መቆጣጠርን፣ የመቁረጫ ፍጥነትን፣ የጎን ግድግዳ ሸካራነት፣ ወዘተ. ማሻሻል እና ማዳበር አለባቸው።
2) በሲሊኮን ካርቦይድ ዋፈር ላይ የብረት ኤሌክትሮዶችን ማምረት ከ10-5Ω2 በታች የመገናኛ መቋቋምን ይጠይቃል። መስፈርቶቹን የሚያሟሉት የኤሌክትሮድ ቁሳቁሶች፣ Ni እና Al፣ ከ100°ሴ በላይ ደካማ የሙቀት መረጋጋት አላቸው፣ ነገር ግን Al/Ni የተሻለ የሙቀት መረጋጋት አለው። የ/W/Au ኮምፖዚት ኤሌክትሮድ ቁሳቁስ የግንኙነት ልዩ የመቋቋም አቅም ከ10-3Ω2 ከፍ ያለ ነው፤
3) SiC ከፍተኛ የመቁረጥ አለባበስ አለው፣ እና የ SiC ጥንካሬ ከአልማዝ ቀጥሎ ሁለተኛ ነው፣ ይህም ለመቁረጥ፣ ለመፍጨት፣ ለማጥራት እና ለሌሎች ቴክኖሎጂዎች ከፍተኛ መስፈርቶችን ያቀርባል።

ከዚህም በላይ የትሪች ሲሊከን ካርቦይድ የኃይል መሣሪያዎች ለማምረት በጣም አስቸጋሪ ናቸው። በተለያዩ የመሣሪያ አወቃቀሮች መሠረት የሲሊከን ካርቦይድ የኃይል መሣሪያዎች በዋናነት ወደ ፕላናር መሣሪያዎች እና የትሪች መሣሪያዎች ሊከፈሉ ይችላሉ። የፕላናር ሲሊከን ካርቦይድ የኃይል መሣሪያዎች ጥሩ የዩኒት ወጥነት እና ቀላል የማኑፋክቸሪንግ ሂደት አላቸው፣ ነገር ግን ለጄኤፍኢቲ ተፅዕኖ የተጋለጡ ሲሆኑ ከፍተኛ የፓራሳይቲክ አቅም እና የስቴት መቋቋም አላቸው። ከፕላናር መሣሪያዎች ጋር ሲነፃፀሩ የትሪች ሲሊከን ካርቦይድ የኃይል መሣሪያዎች ዝቅተኛ የዩኒት ወጥነት ያላቸው እና የበለጠ ውስብስብ የማኑፋክቸሪንግ ሂደት አላቸው። ሆኖም የትሪች መዋቅር የመሳሪያውን ዩኒት ጥግግት ለመጨመር ምቹ ነው እና የጄኤፍኢቲ ውጤት የማምረት ዕድሉ አነስተኛ ነው፣ ይህም የቻናል ተንቀሳቃሽነት ችግርን ለመፍታት ጠቃሚ ነው። እንደ ትንሽ የላይ-ተከላካይነት፣ ትንሽ የፓራሳይቲክ አቅም እና ዝቅተኛ የመቀየሪያ የኃይል ፍጆታ ያሉ እጅግ በጣም ጥሩ ባህሪያት አሉት። ከፍተኛ የወጪ እና የአፈጻጸም ጥቅሞች አሉት እና የሲሊከን ካርቦይድ የኃይል መሣሪያዎች ልማት ዋና አቅጣጫ ሆኗል። እንደ ሮህም ኦፊሴላዊ ድረ-ገጽ ገለጻ፣ የሮኤችኤም Gen3 መዋቅር (Gen1 Trench structure) ከጄን2 (Plannar2) ቺፕ አካባቢ 75% ብቻ ሲሆን የሮኤችኤም Gen3 መዋቅር የመቋቋም አቅሙ በተመሳሳይ ቺፕ መጠን በ50% ቀንሷል።

የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፎች፣ ኤፒታክሲ፣ የፊት ለፊት፣ የምርምር እና የልማት ወጪዎች እና ሌሎችም በቅደም ተከተል 47%፣ 23%፣ 19%፣ 6% እና 5% የሲሊኮን ካርቦይድ መሳሪያዎችን የማምረት ወጪ ይሸፍናሉ።

በመጨረሻም፣ በሲሊኮን ካርቦይድ ኢንዱስትሪ ሰንሰለት ውስጥ ያሉትን የንጥረ ነገሮች ቴክኒካዊ እንቅፋቶች በመፍረስ ላይ እናተኩራለን።

የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፎች የማምረት ሂደት ከሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ንጣፎች ጋር ተመሳሳይ ነው፣ ግን የበለጠ ከባድ ነው።
የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፍ የማምረት ሂደት በአጠቃላይ የጥሬ እቃ ውህደት፣ የክሪስታል እድገት፣ የኢንጎት ማቀነባበሪያ፣ የኢንጎት መቁረጥ፣ የዋፈር መፍጨት፣ ማጥራት፣ ማጽዳት እና ሌሎች አገናኞችን ያካትታል።
የክሪስታል የእድገት ደረጃ የጠቅላላው ሂደት ዋና አካል ሲሆን ይህ ደረጃ የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፍ የኤሌክትሪክ ባህሪያትን ይወስናል።

የሲሊኮን ካርቦይድ ቁሶች በተለመደው ሁኔታ ውስጥ በፈሳሽ ደረጃ ለማደግ አስቸጋሪ ናቸው። ዛሬ በገበያ ላይ ተወዳጅ የሆነው የእንፋሎት ደረጃ የእድገት ዘዴ ከ2300°ሴ በላይ የእድገት ሙቀት ያለው ሲሆን የእድገት የሙቀት መጠኑን በትክክል መቆጣጠር ያስፈልገዋል። አጠቃላይ የአሠራር ሂደቱ ለማየት በጣም አስቸጋሪ ነው። ትንሽ ስህተት ወደ ምርት መፋቅ ይመራል። በንፅፅር፣ የሲሊኮን ቁሶች 1600°ሴ ብቻ ያስፈልጋቸዋል፣ ይህም በጣም ዝቅተኛ ነው። የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፎችን ማዘጋጀት እንደ ቀርፋፋ ክሪስታል እድገት እና ከፍተኛ የክሪስታል ቅርፅ መስፈርቶች ያሉ ችግሮችም ያጋጥሟቸዋል። የሲሊኮን ካርቦይድ ዋፈር እድገት ከ7 እስከ 10 ቀናት ይወስዳል፣ የሲሊኮን ዘንግ መጎተት ደግሞ 2 ቀን ተኩል ብቻ ይወስዳል። ከዚህም በላይ የሲሊኮን ካርቦይድ ጥንካሬው ከአልማዝ ቀጥሎ ሁለተኛ የሆነ ቁሳቁስ ነው። በመቁረጥ፣ በመፍጨት እና በማጥራት ጊዜ ብዙ ያጣል፣ እና የውጤት ጥምርታው 60% ብቻ ነው።

የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፎችን መጠን መጨመር አዝማሚያው እንደሆነ እናውቃለን፣ መጠኑ እየጨመረ በሄደ ቁጥር የዲያሜትር ማስፋፊያ ቴክኖሎጂ መስፈርቶች እየጨመሩ ሲሄዱ። የክሪስታሎች ተደጋጋሚ እድገትን ለማሳካት የተለያዩ የቴክኒክ ቁጥጥር አካላትን ጥምረት ይፈልጋል።