موانع فنی برای کاربید سیلیکون چیست؟

مشکلات فنی در تولید انبوه و پایدار ویفرهای کاربید سیلیکون با کیفیت بالا و عملکرد پایدار عبارتند از:

۱) از آنجایی که کریستال‌ها باید در یک محیط مهر و موم شده با دمای بالا، بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد، رشد کنند، الزامات کنترل دما بسیار بالا است؛
۲) از آنجایی که کاربید سیلیکون بیش از ۲۰۰ ساختار کریستالی دارد، اما تنها تعداد کمی از ساختارهای کاربید سیلیکون تک کریستالی، مواد نیمه‌هادی مورد نیاز هستند، نسبت سیلیکون به کربن، گرادیان دمای رشد و رشد کریستال باید در طول فرآیند رشد کریستال به طور دقیق کنترل شوند. پارامترهایی مانند سرعت و فشار جریان هوا؛
۳) تحت روش انتقال فاز بخار، فناوری گسترش قطر رشد کریستال کاربید سیلیکون بسیار دشوار است؛
۴) سختی کاربید سیلیکون نزدیک به الماس است و تکنیک‌های برش، سنگ‌زنی و صیقل‌کاری آن دشوار است.

ویفرهای اپیتاکسیال SiC: معمولاً با روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) تولید می‌شوند. بر اساس انواع مختلف آلایش، آنها به ویفرهای اپیتاکسیال نوع n و نوع p تقسیم می‌شوند. شرکت‌های داخلی Hantian Tiancheng و Dongguan Tianyu در حال حاضر می‌توانند ویفرهای اپیتاکسیال SiC با اندازه 4/6 اینچ ارائه دهند. کنترل اپیتاکسی SiC در میدان ولتاژ بالا دشوار است و کیفیت اپیتاکسی SiC تأثیر بیشتری بر دستگاه‌های SiC دارد. علاوه بر این، تجهیزات اپیتاکسیال در انحصار چهار شرکت پیشرو در صنعت است: Axitron، LPE، TEL و Nuflare.

اپیتکسیال کاربید سیلیکونویفر به ویفر کاربید سیلیکونی اشاره دارد که در آن یک فیلم کریستالی تک (لایه اپیتاکسیال) با الزامات خاص و مشابه کریستال زیرلایه روی زیرلایه اصلی کاربید سیلیکون رشد داده می‌شود. رشد اپیتاکسیال عمدتاً از تجهیزات CVD (رسوب بخار شیمیایی) یا تجهیزات MBE (اپیتاکسی پرتو مولکولی) استفاده می‌کند. از آنجایی که دستگاه‌های کاربید سیلیکون مستقیماً در لایه اپیتاکسیال تولید می‌شوند، کیفیت لایه اپیتاکسیال مستقیماً بر عملکرد و بازده دستگاه تأثیر می‌گذارد. با افزایش عملکرد دستگاه در برابر ولتاژ، ضخامت لایه اپیتاکسیال مربوطه ضخیم‌تر و کنترل آن دشوارتر می‌شود. به طور کلی، وقتی ولتاژ حدود 600 ولت باشد، ضخامت لایه اپیتاکسیال مورد نیاز حدود 6 میکرون است. وقتی ولتاژ بین 1200 تا 1700 ولت باشد، ضخامت لایه اپیتاکسیال مورد نیاز به 10 تا 15 میکرون می‌رسد. اگر ولتاژ به بیش از 10000 ولت برسد، ممکن است به ضخامت لایه اپیتاکسیال بیش از 100 میکرون نیاز باشد. با افزایش مداوم ضخامت لایه اپیتاکسیال، کنترل یکنواختی ضخامت و مقاومت ویژه و چگالی نقص به طور فزاینده‌ای دشوار می‌شود.

دستگاه‌های SiC: در سطح بین‌المللی، SiC SBD و MOSFET با ولتاژ ۶۰۰ تا ۱۷۰۰ ولت صنعتی شده‌اند. محصولات اصلی در سطوح ولتاژ زیر ۱۲۰۰ ولت کار می‌کنند و عمدتاً از بسته‌بندی TO استفاده می‌کنند. از نظر قیمت‌گذاری، محصولات SiC در بازار بین‌المللی حدود ۵ تا ۶ برابر بیشتر از همتایان Si خود قیمت دارند. با این حال، قیمت‌ها با نرخ سالانه ۱۰ درصد در حال کاهش هستند. با گسترش مواد بالادستی و تولید دستگاه در ۲ تا ۳ سال آینده، عرضه بازار افزایش می‌یابد و منجر به کاهش بیشتر قیمت‌ها می‌شود. انتظار می‌رود وقتی قیمت به ۲ تا ۳ برابر محصولات Si برسد، مزایای ناشی از کاهش هزینه‌های سیستم و بهبود عملکرد، به تدریج SiC را به سمت اشغال فضای بازار دستگاه‌های Si سوق دهد.
بسته‌بندی سنتی مبتنی بر زیرلایه‌های سیلیکونی است، در حالی که مواد نیمه‌هادی نسل سوم نیاز به طراحی کاملاً جدیدی دارند. استفاده از ساختارهای بسته‌بندی سنتی مبتنی بر سیلیکون برای دستگاه‌های قدرت با شکاف باند وسیع می‌تواند مسائل و چالش‌های جدیدی را در رابطه با فرکانس، مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان ایجاد کند. دستگاه‌های قدرت SiC نسبت به خازن و اندوکتانس پارازیتی حساس‌تر هستند. در مقایسه با دستگاه‌های Si، تراشه‌های قدرت SiC سرعت سوئیچینگ سریع‌تری دارند که می‌تواند منجر به جهش بیش از حد، نوسان، افزایش تلفات سوئیچینگ و حتی نقص دستگاه شود. علاوه بر این، دستگاه‌های قدرت SiC در دماهای بالاتر کار می‌کنند و به تکنیک‌های مدیریت حرارتی پیشرفته‌تری نیاز دارند.

ساختارهای متنوع و مختلفی در زمینه بسته‌بندی توان نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع توسعه داده شده‌اند. بسته‌بندی ماژول توان سنتی مبتنی بر سیلیکون دیگر مناسب نیست. به منظور حل مشکلات پارامترهای انگلی بالا و راندمان اتلاف حرارت پایین بسته‌بندی ماژول توان سنتی مبتنی بر سیلیکون، بسته‌بندی ماژول توان SiC از فناوری اتصال بی‌سیم و خنک‌کننده دو طرفه در ساختار خود استفاده می‌کند و همچنین از مواد زیرلایه با رسانایی حرارتی بهتر استفاده می‌کند و سعی در ادغام خازن‌های جداکننده، حسگرهای دما/جریان و مدارهای درایو در ساختار ماژول دارد و انواع فناوری‌های مختلف بسته‌بندی ماژول را توسعه داده است. علاوه بر این، موانع فنی زیادی برای تولید دستگاه‌های SiC وجود دارد و هزینه‌های تولید بالا است.

دستگاه‌های کاربید سیلیکون با رسوب لایه‌های اپیتاکسیال بر روی یک زیرلایه کاربید سیلیکون از طریق CVD تولید می‌شوند. این فرآیند شامل تمیز کردن، اکسیداسیون، لیتوگرافی نوری، حکاکی، حذف مقاومت نوری، کاشت یون، رسوب بخار شیمیایی نیترید سیلیکون، پرداخت، پاشش و مراحل پردازش بعدی برای تشکیل ساختار دستگاه روی زیرلایه تک کریستالی SiC است. انواع اصلی دستگاه‌های قدرت SiC شامل دیودهای SiC، ترانزیستورهای SiC و ماژول‌های قدرت SiC هستند. به دلیل عواملی مانند سرعت پایین تولید مواد بالادستی و نرخ بازده پایین، دستگاه‌های کاربید سیلیکون هزینه‌های تولید نسبتاً بالایی دارند.

علاوه بر این، تولید دستگاه‌های کاربید سیلیکون مشکلات فنی خاصی دارد:

۱) توسعه یک فرآیند خاص که با ویژگی‌های مواد کاربید سیلیکون سازگار باشد، ضروری است. به عنوان مثال: SiC نقطه ذوب بالایی دارد که باعث می‌شود انتشار حرارتی سنتی بی‌اثر باشد. استفاده از روش دوپینگ کاشت یون و کنترل دقیق پارامترهایی مانند دما، نرخ گرمایش، مدت زمان و جریان گاز ضروری است. SiC در برابر حلال‌های شیمیایی بی‌اثر است. باید از روش‌هایی مانند حکاکی خشک استفاده شود و مواد ماسک، مخلوط‌های گازی، کنترل شیب دیواره جانبی، نرخ حکاکی، زبری دیواره جانبی و غیره بهینه و توسعه داده شوند.
۲) ساخت الکترودهای فلزی روی ویفرهای کاربید سیلیکون نیاز به مقاومت تماسی کمتر از ۱۰-۵Ω۲ دارد. مواد الکترودی که الزامات را برآورده می‌کنند، یعنی Ni و Al، پایداری حرارتی ضعیفی در دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد دارند، اما Al/Ni پایداری حرارتی بهتری دارد. مقاومت ویژه تماسی ماده الکترود کامپوزیتی /W/Au، ۱۰-۳Ω۲ بیشتر است؛
۳) SiC سایش برشی بالایی دارد و سختی SiC تنها از الماس کمتر است که الزامات بالاتری را برای برش، سنگ زنی، پرداخت و سایر فناوری‌ها مطرح می‌کند.

علاوه بر این، ساخت دستگاه‌های قدرت سیلیکون کاربید شیاردار دشوارتر است. بر اساس ساختارهای مختلف دستگاه، دستگاه‌های قدرت سیلیکون کاربید را می‌توان عمدتاً به دستگاه‌های صفحه‌ای و دستگاه‌های شیاردار تقسیم کرد. دستگاه‌های قدرت سیلیکون کاربید صفحه‌ای دارای سازگاری واحد خوب و فرآیند تولید ساده‌ای هستند، اما مستعد اثر JFET هستند و ظرفیت خازنی انگلی و مقاومت حالت روشن بالایی دارند. در مقایسه با دستگاه‌های صفحه‌ای، دستگاه‌های قدرت سیلیکون کاربید شیاردار دارای سازگاری واحد پایین‌تری هستند و فرآیند تولید پیچیده‌تری دارند. با این حال، ساختار شیاردار برای افزایش چگالی واحد دستگاه مساعد است و احتمال کمتری دارد که اثر JFET را ایجاد کند، که برای حل مشکل تحرک کانال مفید است. این دستگاه دارای خواص عالی مانند مقاومت در حالت روشن کوچک، ظرفیت خازنی انگلی کوچک و مصرف انرژی سوئیچینگ کم است. این دستگاه از نظر هزینه و عملکرد مزایای قابل توجهی دارد و به جهت اصلی توسعه دستگاه‌های قدرت سیلیکون کاربید تبدیل شده است. طبق وب‌سایت رسمی Rohm، ساختار ROHM Gen3 (ساختار ترنچ Gen1) تنها 75٪ از مساحت تراشه Gen2 (Plannar2) را تشکیل می‌دهد و مقاومت روشن ساختار ROHM Gen3 با همان اندازه تراشه، 50٪ کاهش یافته است.

هزینه‌های زیرلایه سیلیکون کاربید، اپیتاکسی، هزینه‌های نهایی، تحقیق و توسعه و سایر موارد به ترتیب ۴۷٪، ۲۳٪، ۱۹٪، ۶٪ و ۵٪ از هزینه تولید دستگاه‌های سیلیکون کاربید را تشکیل می‌دهند.

در نهایت، ما بر رفع موانع فنی زیرلایه‌ها در زنجیره صنعت کاربید سیلیکون تمرکز خواهیم کرد.

فرآیند تولید زیرلایه‌های کاربید سیلیکون مشابه زیرلایه‌های مبتنی بر سیلیکون است، اما دشوارتر.
فرآیند تولید بستر کاربید سیلیکون به طور کلی شامل سنتز مواد اولیه، رشد کریستال، پردازش شمش، برش شمش، سنگ زنی ویفر، پرداخت، تمیز کردن و سایر پیوندها است.
مرحله رشد کریستال، هسته اصلی کل فرآیند است و این مرحله خواص الکتریکی زیرلایه کاربید سیلیکون را تعیین می‌کند.

رشد مواد کاربید سیلیکون در فاز مایع در شرایط عادی دشوار است. روش رشد فاز بخار که امروزه در بازار رایج است، دمای رشدی بالاتر از ۲۳۰۰ درجه سانتیگراد دارد و نیاز به کنترل دقیق دمای رشد دارد. مشاهده کل فرآیند عملیات تقریباً دشوار است. یک خطای جزئی منجر به دور انداختن محصول می‌شود. در مقایسه، مواد سیلیکونی فقط به ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد نیاز دارند که بسیار کمتر است. آماده‌سازی زیرلایه‌های کاربید سیلیکون نیز با مشکلاتی مانند رشد آهسته کریستال و نیاز به فرم کریستالی بالا مواجه است. رشد ویفر کاربید سیلیکون حدود ۷ تا ۱۰ روز طول می‌کشد، در حالی که کشیدن میله سیلیکونی فقط ۲ روز و نیم طول می‌کشد. علاوه بر این، کاربید سیلیکون ماده‌ای است که سختی آن پس از الماس در رتبه دوم قرار دارد. در طول برش، سنگ‌زنی و صیقل دادن مقدار زیادی از دست می‌دهد و نسبت خروجی تنها ۶۰٪ است.

ما می‌دانیم که روند رو به رشد، افزایش اندازه زیرلایه‌های کاربید سیلیکون است و با افزایش مداوم اندازه، الزامات فناوری گسترش قطر نیز بیشتر و بیشتر می‌شود. برای دستیابی به رشد تکراری کریستال‌ها، به ترکیبی از عناصر کنترل فنی مختلف نیاز است.