સિલિકોન કાર્બાઇડ માટે ટેકનિકલ અવરોધો શું છે?Ⅱ

સ્થિર કામગીરી સાથે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળા સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફરનું મોટા પાયે ઉત્પાદન કરવામાં તકનીકી મુશ્કેલીઓમાં શામેલ છે:

૧) સ્ફટિકોને ૨૦૦૦°C થી ઉપરના ઉચ્ચ-તાપમાન સીલબંધ વાતાવરણમાં વધવાની જરૂર હોવાથી, તાપમાન નિયંત્રણની જરૂરિયાતો અત્યંત ઊંચી હોય છે;
2) સિલિકોન કાર્બાઇડમાં 200 થી વધુ સ્ફટિક માળખાં હોવાથી, પરંતુ સિંગલ-સ્ફટિક સિલિકોન કાર્બાઇડની માત્ર થોડી રચનાઓ જ જરૂરી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી છે, તેથી સ્ફટિક વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન સિલિકોન-થી-કાર્બન ગુણોત્તર, વૃદ્ધિ તાપમાન ઢાળ અને સ્ફટિક વૃદ્ધિને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરવાની જરૂર છે. ગતિ અને હવા પ્રવાહ દબાણ જેવા પરિમાણો;
૩) બાષ્પ તબક્કા ટ્રાન્સમિશન પદ્ધતિ હેઠળ, સિલિકોન કાર્બાઇડ સ્ફટિક વૃદ્ધિની વ્યાસ વિસ્તરણ તકનીક અત્યંત મુશ્કેલ છે;
૪) સિલિકોન કાર્બાઇડની કઠિનતા હીરા જેટલી જ છે, અને તેને કાપવા, પીસવા અને પોલિશ કરવાની તકનીકો મુશ્કેલ છે.

SiC એપિટેક્સિયલ વેફર્સ: સામાન્ય રીતે રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (CVD) પદ્ધતિ દ્વારા ઉત્પાદિત થાય છે. વિવિધ ડોપિંગ પ્રકારો અનુસાર, તેમને n-ટાઇપ અને p-ટાઇપ એપિટેક્સિયલ વેફર્સમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે. સ્થાનિક હાન્ટિયન ટિઆનચેંગ અને ડોંગગુઆન ટિઆન્યુ પહેલાથી જ 4-ઇંચ/6-ઇંચ SiC એપિટેક્સિયલ વેફર્સ પ્રદાન કરી શકે છે. SiC એપિટેક્સિ માટે, ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ ક્ષેત્રમાં તેને નિયંત્રિત કરવું મુશ્કેલ છે, અને SiC એપિટેક્સિની ગુણવત્તા SiC ઉપકરણો પર વધુ અસર કરે છે. વધુમાં, ઉદ્યોગમાં ચાર અગ્રણી કંપનીઓ દ્વારા એપિટેક્સિયલ સાધનોનો એકાધિકાર છે: એક્સિટ્રોન, LPE, TEL અને Nuflare.

સિલિકોન કાર્બાઇડ એપિટેક્સિયલવેફર એ સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફરનો ઉલ્લેખ કરે છે જેમાં મૂળ સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ પર ચોક્કસ જરૂરિયાતો સાથે અને સબસ્ટ્રેટ ક્રિસ્ટલ જેવી જ સિંગલ ક્રિસ્ટલ ફિલ્મ (એપિટેક્સિયલ લેયર) ઉગાડવામાં આવે છે. એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ મુખ્યત્વે CVD (કેમિકલ વેપર ડિપોઝિશન, ) સાધનો અથવા MBE (મોલેક્યુલર બીમ એપિટેક્સિ) સાધનોનો ઉપયોગ કરે છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણો સીધા એપિટેક્સિયલ લેયરમાં બનાવવામાં આવતા હોવાથી, એપિટેક્સિયલ લેયરની ગુણવત્તા ઉપકરણના પ્રદર્શન અને ઉપજને સીધી અસર કરે છે. જેમ જેમ ઉપકરણનું વોલ્ટેજ ટકી રહે છે તેમ તેમ અનુરૂપ એપિટેક્સિયલ લેયરની જાડાઈ જાડી થતી જાય છે અને નિયંત્રણ વધુ મુશ્કેલ બને છે. સામાન્ય રીતે, જ્યારે વોલ્ટેજ 600V ની આસપાસ હોય છે, ત્યારે જરૂરી એપિટેક્સિયલ લેયર જાડાઈ લગભગ 6 માઇક્રોન હોય છે; જ્યારે વોલ્ટેજ 1200-1700V ની વચ્ચે હોય છે, ત્યારે જરૂરી એપિટેક્સિયલ લેયર જાડાઈ 10-15 માઇક્રોન સુધી પહોંચે છે. જો વોલ્ટેજ 10,000 વોલ્ટથી વધુ સુધી પહોંચે છે, તો 100 માઇક્રોનથી વધુની એપિટેક્સિયલ લેયર જાડાઈની જરૂર પડી શકે છે. જેમ જેમ એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ વધતી જાય છે, તેમ તેમ જાડાઈ અને પ્રતિકારકતા એકરૂપતા અને ખામી ઘનતાને નિયંત્રિત કરવી વધુને વધુ મુશ્કેલ બનતી જાય છે.

SiC ઉપકરણો: આંતરરાષ્ટ્રીય સ્તરે, 600~1700V SiC SBD અને MOSFET નું ઔદ્યોગિકીકરણ થયું છે. મુખ્ય પ્રવાહના ઉત્પાદનો 1200V થી નીચેના વોલ્ટેજ સ્તરે કાર્ય કરે છે અને મુખ્યત્વે TO પેકેજિંગ અપનાવે છે. કિંમતની દ્રષ્ટિએ, આંતરરાષ્ટ્રીય બજારમાં SiC ઉત્પાદનોની કિંમત તેમના Si સમકક્ષો કરતા લગભગ 5-6 ગણી વધારે છે. જો કે, આગામી 2-3 વર્ષમાં અપસ્ટ્રીમ મટિરિયલ્સ અને ડિવાઇસ ઉત્પાદનના વિસ્તરણ સાથે, કિંમતો વાર્ષિક 10% ના દરે ઘટી રહી છે, જેના કારણે બજાર પુરવઠો વધશે, જેના કારણે કિંમતમાં વધુ ઘટાડો થશે. એવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે કે જ્યારે કિંમત Si ઉત્પાદનો કરતા 2-3 ગણી સુધી પહોંચે છે, ત્યારે સિસ્ટમ ખર્ચમાં ઘટાડો અને સુધારેલા પ્રદર્શન દ્વારા લાવવામાં આવેલા ફાયદા ધીમે ધીમે SiC ને Si ઉપકરણોના બજાર સ્થાન પર કબજો કરવા માટે પ્રેરિત કરશે.
પરંપરાગત પેકેજિંગ સિલિકોન-આધારિત સબસ્ટ્રેટ્સ પર આધારિત છે, જ્યારે ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીને સંપૂર્ણપણે નવી ડિઝાઇનની જરૂર પડે છે. વાઈડ-બેન્ડગેપ પાવર ડિવાઇસ માટે પરંપરાગત સિલિકોન-આધારિત પેકેજિંગ સ્ટ્રક્ચરનો ઉપયોગ કરવાથી ફ્રીક્વન્સી, થર્મલ મેનેજમેન્ટ અને વિશ્વસનીયતા સંબંધિત નવી સમસ્યાઓ અને પડકારો રજૂ થઈ શકે છે. SiC પાવર ડિવાઇસ પરોપજીવી કેપેસીટન્સ અને ઇન્ડક્ટન્સ પ્રત્યે વધુ સંવેદનશીલ હોય છે. Si ડિવાઇસની તુલનામાં, SiC પાવર ચિપ્સમાં ઝડપી સ્વિચિંગ સ્પીડ હોય છે, જે ઓવરશૂટ, ઓસિલેશન, સ્વિચિંગ નુકસાનમાં વધારો અને ડિવાઇસમાં ખામી પણ તરફ દોરી શકે છે. વધુમાં, SiC પાવર ડિવાઇસ ઊંચા તાપમાને કાર્ય કરે છે, જેને વધુ અદ્યતન થર્મલ મેનેજમેન્ટ તકનીકોની જરૂર પડે છે.

વાઇડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર પાવર પેકેજિંગના ક્ષેત્રમાં વિવિધ પ્રકારની રચનાઓ વિકસાવવામાં આવી છે. પરંપરાગત Si-આધારિત પાવર મોડ્યુલ પેકેજિંગ હવે યોગ્ય નથી. પરંપરાગત Si-આધારિત પાવર મોડ્યુલ પેકેજિંગના ઉચ્ચ પરોપજીવી પરિમાણો અને નબળી ગરમીના વિસર્જન કાર્યક્ષમતાની સમસ્યાઓ ઉકેલવા માટે, SiC પાવર મોડ્યુલ પેકેજિંગ તેના માળખામાં વાયરલેસ ઇન્ટરકનેક્શન અને ડબલ-સાઇડ કૂલિંગ ટેકનોલોજી અપનાવે છે, અને વધુ સારી થર્મલ વાહકતા સાથે સબસ્ટ્રેટ સામગ્રીને પણ અપનાવે છે, અને ડીકપલિંગ કેપેસિટર્સ, તાપમાન/વર્તમાન સેન્સર્સ અને ડ્રાઇવ સર્કિટને મોડ્યુલ માળખામાં એકીકૃત કરવાનો પ્રયાસ કર્યો છે, અને વિવિધ મોડ્યુલ પેકેજિંગ તકનીકો વિકસાવી છે. વધુમાં, SiC ઉપકરણ ઉત્પાદનમાં ઉચ્ચ તકનીકી અવરોધો છે અને ઉત્પાદન ખર્ચ ઊંચો છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણો CVD દ્વારા સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ પર એપિટેક્સિયલ સ્તરો જમા કરીને બનાવવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયામાં સફાઈ, ઓક્સિડેશન, ફોટોલિથોગ્રાફી, એચિંગ, ફોટોરેઝિસ્ટને સ્ટ્રિપિંગ, આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન, સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનું રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન, પોલિશિંગ, સ્પટરિંગ અને SiC સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પર ઉપકરણ માળખું બનાવવા માટે અનુગામી પ્રક્રિયા પગલાંનો સમાવેશ થાય છે. SiC પાવર ઉપકરણોના મુખ્ય પ્રકારોમાં SiC ડાયોડ, SiC ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને SiC પાવર મોડ્યુલનો સમાવેશ થાય છે. ધીમી અપસ્ટ્રીમ સામગ્રી ઉત્પાદન ગતિ અને ઓછી ઉપજ દર જેવા પરિબળોને કારણે, સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણોનો ઉત્પાદન ખર્ચ પ્રમાણમાં ઊંચો હોય છે.

વધુમાં, સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણ ઉત્પાદનમાં કેટલીક તકનીકી મુશ્કેલીઓ છે:

૧) સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓ સાથે સુસંગત ચોક્કસ પ્રક્રિયા વિકસાવવી જરૂરી છે. ઉદાહરણ તરીકે: SiC નું ગલનબિંદુ ઊંચું છે, જે પરંપરાગત થર્મલ પ્રસરણને બિનઅસરકારક બનાવે છે. આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોપિંગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવો અને તાપમાન, ગરમી દર, અવધિ અને ગેસ પ્રવાહ જેવા પરિમાણોને સચોટ રીતે નિયંત્રિત કરવું જરૂરી છે; SiC રાસાયણિક દ્રાવકો માટે નિષ્ક્રિય છે. ડ્રાય એચિંગ જેવી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવો જોઈએ, અને માસ્ક સામગ્રી, ગેસ મિશ્રણ, સાઇડવોલ ઢાળનું નિયંત્રણ, એચિંગ દર, સાઇડવોલ રફનેસ, વગેરેને ઑપ્ટિમાઇઝ અને વિકસાવવા જોઈએ;
2) સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફર્સ પર મેટલ ઇલેક્ટ્રોડના ઉત્પાદન માટે 10-5Ω2 ની નીચે સંપર્ક પ્રતિકાર જરૂરી છે. જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરતા ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી, Ni અને Al, 100°C થી ઉપર નબળી થર્મલ સ્થિરતા ધરાવે છે, પરંતુ Al/Ni માં વધુ સારી થર્મલ સ્થિરતા છે. /W/Au સંયુક્ત ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીનો સંપર્ક વિશિષ્ટ પ્રતિકાર 10-3Ω2 વધારે છે;
૩) SiC માં કટીંગ વસ્ત્રો વધુ હોય છે, અને SiC ની કઠિનતા હીરા પછી બીજા ક્રમે છે, જે કટીંગ, ગ્રાઇન્ડીંગ, પોલિશિંગ અને અન્ય તકનીકો માટે ઉચ્ચ આવશ્યકતાઓ આગળ ધપાવે છે.

વધુમાં, ટ્રેન્ચ સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસનું ઉત્પાદન કરવું વધુ મુશ્કેલ છે. વિવિધ ડિવાઇસ સ્ટ્રક્ચર્સ અનુસાર, સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસને મુખ્યત્વે પ્લેનર ડિવાઇસ અને ટ્રેન્ચ ડિવાઇસમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. પ્લેનર સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસમાં સારી યુનિટ સુસંગતતા અને સરળ ઉત્પાદન પ્રક્રિયા હોય છે, પરંતુ તે JFET અસર માટે સંવેદનશીલ હોય છે અને તેમાં ઉચ્ચ પરોપજીવી કેપેસીટન્સ અને ઓન-સ્ટેટ પ્રતિકાર હોય છે. પ્લેનર ડિવાઇસની તુલનામાં, ટ્રેન્ચ સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસમાં યુનિટ સુસંગતતા ઓછી હોય છે અને ઉત્પાદન પ્રક્રિયા વધુ જટિલ હોય છે. જો કે, ટ્રેન્ચ સ્ટ્રક્ચર ડિવાઇસ યુનિટની ઘનતા વધારવા માટે અનુકૂળ છે અને JFET અસર ઉત્પન્ન કરવાની શક્યતા ઓછી છે, જે ચેનલ ગતિશીલતાની સમસ્યાને ઉકેલવા માટે ફાયદાકારક છે. તેમાં નાના ઓન-રેઝિસ્ટન્સ, નાના પરોપજીવી કેપેસીટન્સ અને ઓછી સ્વિચિંગ ઉર્જા વપરાશ જેવા ઉત્તમ ગુણધર્મો છે. તેમાં નોંધપાત્ર ખર્ચ અને પ્રદર્શન ફાયદા છે અને તે સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસના વિકાસની મુખ્ય દિશા બની ગઈ છે. રોહમની સત્તાવાર વેબસાઇટ અનુસાર, ROHM Gen3 માળખું (Gen1 Trench માળખું) Gen2 (Plannar2) ચિપ વિસ્તારના માત્ર 75% જેટલું છે, અને તે જ ચિપ કદ હેઠળ ROHM Gen3 માળખાનો ઓન-રેઝિસ્ટન્સ 50% ઓછો થાય છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણોના ઉત્પાદન ખર્ચમાં સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ, એપિટાક્સી, ફ્રન્ટ-એન્ડ, આર એન્ડ ડી ખર્ચ અને અન્ય ખર્ચ અનુક્રમે 47%, 23%, 19%, 6% અને 5% હિસ્સો ધરાવે છે.

છેલ્લે, આપણે સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉદ્યોગ શૃંખલામાં સબસ્ટ્રેટના તકનીકી અવરોધોને તોડવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરીશું.

સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા સિલિકોન-આધારિત સબસ્ટ્રેટ જેવી જ છે, પરંતુ વધુ મુશ્કેલ છે.
સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટની ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં સામાન્ય રીતે કાચા માલનું સંશ્લેષણ, સ્ફટિક વૃદ્ધિ, ઇન્ગોટ પ્રોસેસિંગ, ઇન્ગોટ કટીંગ, વેફર ગ્રાઇન્ડીંગ, પોલિશિંગ, સફાઈ અને અન્ય લિંક્સનો સમાવેશ થાય છે.
સ્ફટિક વૃદ્ધિનો તબક્કો સમગ્ર પ્રક્રિયાનો મુખ્ય ભાગ છે, અને આ પગલું સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટના વિદ્યુત ગુણધર્મો નક્કી કરે છે.

સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં પ્રવાહી તબક્કામાં સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રી ઉગાડવી મુશ્કેલ છે. આજે બજારમાં લોકપ્રિય વરાળ તબક્કા વૃદ્ધિ પદ્ધતિમાં વૃદ્ધિ તાપમાન 2300°C થી વધુ છે અને વૃદ્ધિ તાપમાનનું ચોક્કસ નિયંત્રણ જરૂરી છે. સમગ્ર કામગીરી પ્રક્રિયાનું અવલોકન કરવું લગભગ મુશ્કેલ છે. થોડી ભૂલથી ઉત્પાદન સ્ક્રેપિંગ થશે. તેની તુલનામાં, સિલિકોન સામગ્રીને ફક્ત 1600℃ ની જરૂર પડે છે, જે ઘણું ઓછું છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ તૈયાર કરવામાં પણ ધીમી સ્ફટિક વૃદ્ધિ અને ઉચ્ચ સ્ફટિક સ્વરૂપની આવશ્યકતાઓ જેવી મુશ્કેલીઓનો સામનો કરવો પડે છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફર વૃદ્ધિમાં લગભગ 7 થી 10 દિવસ લાગે છે, જ્યારે સિલિકોન સળિયા ખેંચવામાં ફક્ત અઢી દિવસ લાગે છે. વધુમાં, સિલિકોન કાર્બાઇડ એક એવી સામગ્રી છે જેની કઠિનતા હીરા પછી બીજા ક્રમે છે. તે કાપવા, ગ્રાઇન્ડીંગ અને પોલિશિંગ દરમિયાન ઘણું ગુમાવશે, અને આઉટપુટ રેશિયો ફક્ત 60% છે.

આપણે જાણીએ છીએ કે સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટનું કદ વધારવાનો ટ્રેન્ડ છે, જેમ જેમ કદ વધતું જાય છે તેમ તેમ વ્યાસ વિસ્તરણ ટેકનોલોજી માટેની જરૂરિયાતો વધુને વધુ વધતી જાય છે. સ્ફટિકોની પુનરાવર્તિત વૃદ્ધિ પ્રાપ્ત કરવા માટે વિવિધ તકનીકી નિયંત્રણ તત્વોના સંયોજનની જરૂર પડે છે.