सिलिकॉन कार्बाइड के लिए तकनीकी बाधाएं क्या हैं?Ⅱ

स्थिर प्रदर्शन के साथ उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स के बड़े पैमाने पर उत्पादन में तकनीकी कठिनाइयाँ शामिल हैं:

1) चूँकि क्रिस्टलों को 2000°C से ऊपर के उच्च तापमान वाले सीलबंद वातावरण में विकसित होने की आवश्यकता होती है, इसलिए तापमान नियंत्रण आवश्यकताएँ बहुत अधिक होती हैं;
2) चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड में 200 से अधिक क्रिस्टल संरचनाएं होती हैं, लेकिन एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन कार्बाइड की केवल कुछ संरचनाएं ही आवश्यक अर्धचालक सामग्री होती हैं, इसलिए क्रिस्टल विकास प्रक्रिया के दौरान सिलिकॉन-से-कार्बन अनुपात, विकास तापमान ढाल और क्रिस्टल विकास की गति और वायु प्रवाह दबाव जैसे मापदंडों को ठीक से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है;
3) वाष्प चरण संचरण विधि के तहत, सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल विकास की व्यास विस्तार तकनीक बेहद कठिन है;
4) सिलिकॉन कार्बाइड की कठोरता हीरे के करीब होती है, और इसे काटना, पीसना और चमकाना कठिन होता है।

SiC एपिटैक्सियल वेफर्स: आमतौर पर रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) विधि द्वारा निर्मित होते हैं। विभिन्न डोपिंग प्रकारों के अनुसार, उन्हें n-प्रकार और p-प्रकार एपिटैक्सियल वेफर्स में विभाजित किया जाता है। घरेलू हंटियन तियानचेंग और डोंगगुआन तियानयू पहले से ही 4-इंच/6-इंच SiC एपिटैक्सियल वेफर्स प्रदान कर सकते हैं। SiC एपिटैक्सियल के लिए, उच्च-वोल्टेज क्षेत्र में नियंत्रण करना मुश्किल है, और SiC एपिटैक्सियल की गुणवत्ता का SiC उपकरणों पर अधिक प्रभाव पड़ता है। इसके अलावा, एपिटैक्सियल उपकरण उद्योग में चार अग्रणी कंपनियों द्वारा एकाधिकार प्राप्त है: एक्सिट्रोन, एलपीई, टीईएल और न्यूफ्लेयर।

सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियलवेफर एक सिलिकॉन कार्बाइड वेफर को संदर्भित करता है जिसमें कुछ आवश्यकताओं के साथ एक एकल क्रिस्टल फिल्म (एपिटैक्सियल परत) और सब्सट्रेट क्रिस्टल के समान मूल सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर उगाया जाता है। एपिटैक्सियल विकास मुख्य रूप से CVD (रासायनिक वाष्प जमाव,) उपकरण या MBE (आणविक बीम एपिटैक्सी) उपकरण का उपयोग करता है। चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों को सीधे एपिटैक्सियल परत में निर्मित किया जाता है, इसलिए एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता सीधे उपकरण के प्रदर्शन और उपज को प्रभावित करती है। जैसे-जैसे उपकरण का वोल्टेज झेलने का प्रदर्शन बढ़ता रहता है, संबंधित एपिटैक्सियल परत की मोटाई अधिक मोटी हो जाती है और नियंत्रण अधिक कठिन हो जाता है। आम तौर पर, जब वोल्टेज 600V के आसपास होता है, तो आवश्यक एपिटैक्सियल परत की मोटाई लगभग 6 माइक्रोन होती है यदि वोल्टेज 10,000 वोल्ट से अधिक हो जाता है, तो 100 माइक्रोन से अधिक की एपिटैक्सियल परत की मोटाई की आवश्यकता हो सकती है। जैसे-जैसे एपिटैक्सियल परत की मोटाई बढ़ती जाती है, मोटाई और प्रतिरोधकता एकरूपता और दोष घनत्व को नियंत्रित करना अधिक कठिन होता जाता है।

SiC डिवाइस: अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, 600~1700V SiC SBD और MOSFET का औद्योगिकीकरण किया गया है। मुख्यधारा के उत्पाद 1200V से कम वोल्टेज स्तरों पर काम करते हैं और मुख्य रूप से TO पैकेजिंग को अपनाते हैं। मूल्य निर्धारण के संदर्भ में, अंतरराष्ट्रीय बाजार में SiC उत्पादों की कीमत उनके Si समकक्षों की तुलना में लगभग 5-6 गुना अधिक है। हालांकि, कीमतें 10% की वार्षिक दर से घट रही हैं। अगले 2-3 वर्षों में अपस्ट्रीम सामग्रियों और डिवाइस उत्पादन के विस्तार के साथ, बाजार की आपूर्ति बढ़ेगी, जिससे कीमतों में और कमी आएगी। यह उम्मीद की जाती है कि जब कीमत Si उत्पादों की तुलना में 2-3 गुना तक पहुँच जाएगी, तो कम सिस्टम लागत और बेहतर प्रदर्शन द्वारा लाए गए लाभ धीरे-धीरे SiC को Si उपकरणों के बाजार स्थान पर कब्जा करने के लिए प्रेरित करेंगे।
पारंपरिक पैकेजिंग सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट पर आधारित है, जबकि तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों के लिए पूरी तरह से नए डिज़ाइन की आवश्यकता होती है। वाइड-बैंडगैप पावर डिवाइस के लिए पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित पैकेजिंग संरचनाओं का उपयोग करने से आवृत्ति, थर्मल प्रबंधन और विश्वसनीयता से संबंधित नए मुद्दे और चुनौतियाँ सामने आ सकती हैं। SiC पावर डिवाइस परजीवी कैपेसिटेंस और इंडक्टेंस के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं। Si डिवाइस की तुलना में, SiC पावर चिप्स में तेज़ स्विचिंग गति होती है, जिससे ओवरशूट, दोलन, स्विचिंग लॉस में वृद्धि और यहां तक ​​कि डिवाइस में खराबी भी हो सकती है। इसके अतिरिक्त, SiC पावर डिवाइस उच्च तापमान पर काम करते हैं, जिसके लिए अधिक उन्नत थर्मल प्रबंधन तकनीकों की आवश्यकता होती है।

वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर पावर पैकेजिंग के क्षेत्र में कई अलग-अलग संरचनाएं विकसित की गई हैं। पारंपरिक Si-आधारित पावर मॉड्यूल पैकेजिंग अब उपयुक्त नहीं है। पारंपरिक Si-आधारित पावर मॉड्यूल पैकेजिंग के उच्च परजीवी मापदंडों और खराब गर्मी अपव्यय दक्षता की समस्याओं को हल करने के लिए, SiC पावर मॉड्यूल पैकेजिंग अपनी संरचना में वायरलेस इंटरकनेक्शन और डबल-साइड कूलिंग तकनीक को अपनाती है, और बेहतर तापीय चालकता वाली सब्सट्रेट सामग्री को भी अपनाती है, और मॉड्यूल संरचना में डिकॉप्लिंग कैपेसिटर, तापमान/वर्तमान सेंसर और ड्राइव सर्किट को एकीकृत करने की कोशिश करती है, और विभिन्न मॉड्यूल पैकेजिंग तकनीकों की एक किस्म विकसित करती है। इसके अलावा, SiC डिवाइस निर्माण में उच्च तकनीकी बाधाएं हैं और उत्पादन लागत अधिक है।

सिलिकॉन कार्बाइड डिवाइस को सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर CVD के माध्यम से एपिटैक्सियल परतों को जमा करके बनाया जाता है। इस प्रक्रिया में सफाई, ऑक्सीकरण, फोटोलिथोग्राफी, नक़्क़ाशी, फोटोरेसिस्ट की स्ट्रिपिंग, आयन इम्प्लांटेशन, सिलिकॉन नाइट्राइड का रासायनिक वाष्प जमाव, पॉलिशिंग, स्पटरिंग और SiC सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर डिवाइस संरचना बनाने के लिए बाद के प्रसंस्करण चरण शामिल हैं। SiC पावर डिवाइस के मुख्य प्रकारों में SiC डायोड, SiC ट्रांजिस्टर और SiC पावर मॉड्यूल शामिल हैं। धीमी अपस्ट्रीम सामग्री उत्पादन गति और कम उपज दर जैसे कारकों के कारण, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों की विनिर्माण लागत अपेक्षाकृत अधिक होती है।

इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण निर्माण में कुछ तकनीकी कठिनाइयाँ हैं:

1) एक विशिष्ट प्रक्रिया विकसित करना आवश्यक है जो सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री की विशेषताओं के अनुरूप हो। उदाहरण के लिए: SiC में एक उच्च गलनांक होता है, जो पारंपरिक थर्मल प्रसार को अप्रभावी बनाता है। आयन इम्प्लांटेशन डोपिंग विधि का उपयोग करना और तापमान, हीटिंग दर, अवधि और गैस प्रवाह जैसे मापदंडों को सटीक रूप से नियंत्रित करना आवश्यक है; SiC रासायनिक सॉल्वैंट्स के लिए निष्क्रिय है। सूखी नक़्क़ाशी जैसी विधियों का उपयोग किया जाना चाहिए, और मास्क सामग्री, गैस मिश्रण, साइडवॉल ढलान का नियंत्रण, नक़्क़ाशी दर, साइडवॉल खुरदरापन, आदि को अनुकूलित और विकसित किया जाना चाहिए;
2) सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स पर धातु इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए 10-5Ω2 से कम संपर्क प्रतिरोध की आवश्यकता होती है। आवश्यकताओं को पूरा करने वाले इलेक्ट्रोड पदार्थ, Ni और Al, 100°C से ऊपर खराब थर्मल स्थिरता रखते हैं, लेकिन Al/Ni में बेहतर थर्मल स्थिरता होती है। /W/Au मिश्रित इलेक्ट्रोड पदार्थ का संपर्क विशिष्ट प्रतिरोध 10-3Ω2 अधिक है;
3) SiC में उच्च काटने की क्षमता होती है, और SiC की कठोरता हीरे के बाद दूसरे स्थान पर होती है, जो काटने, पीसने, चमकाने और अन्य प्रौद्योगिकियों के लिए उच्च आवश्यकताओं को सामने रखती है।

इसके अलावा, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइस का निर्माण करना अधिक कठिन है। विभिन्न डिवाइस संरचनाओं के अनुसार, सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइस को मुख्य रूप से प्लानर डिवाइस और ट्रेंच डिवाइस में विभाजित किया जा सकता है। प्लानर सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइस में अच्छी यूनिट स्थिरता और सरल विनिर्माण प्रक्रिया होती है, लेकिन JFET प्रभाव के लिए प्रवण होते हैं और उच्च परजीवी समाई और ऑन-स्टेट प्रतिरोध होते हैं। प्लानर उपकरणों की तुलना में, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइस में कम यूनिट स्थिरता होती है और इसकी विनिर्माण प्रक्रिया अधिक जटिल होती है। हालांकि, ट्रेंच संरचना डिवाइस यूनिट घनत्व को बढ़ाने के लिए अनुकूल है और JFET प्रभाव उत्पन्न करने की संभावना कम है, जो चैनल गतिशीलता की समस्या को हल करने के लिए फायदेमंद है। इसमें छोटे ऑन-प्रतिरोध, छोटे परजीवी समाई और कम स्विचिंग ऊर्जा खपत जैसे उत्कृष्ट गुण हैं। इसमें महत्वपूर्ण लागत और प्रदर्शन लाभ हैं और यह सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइस के विकास की मुख्यधारा की दिशा बन गई है। रोहम की आधिकारिक वेबसाइट के अनुसार, ROHM Gen3 संरचना (Gen1 ट्रेंच संरचना) Gen2 (Plannar2) चिप क्षेत्र का केवल 75% है, और समान चिप आकार के तहत ROHM Gen3 संरचना का ऑन-प्रतिरोध 50% कम हो जाता है।

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट, एपिटैक्सी, फ्रंट-एंड, आरएंडडी व्यय और अन्य, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों की विनिर्माण लागत का क्रमशः 47%, 23%, 19%, 6% और 5% हिस्सा हैं।

अंत में, हम सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग श्रृंखला में सबस्ट्रेट्स की तकनीकी बाधाओं को तोड़ने पर ध्यान केंद्रित करेंगे।

सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्स की उत्पादन प्रक्रिया सिलिकॉन आधारित सबस्ट्रेट्स के समान है, लेकिन अधिक कठिन है।
सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की विनिर्माण प्रक्रिया में आम तौर पर कच्चे माल संश्लेषण, क्रिस्टल विकास, पिंड प्रसंस्करण, पिंड काटने, वेफर पीसने, चमकाने, सफाई और अन्य लिंक शामिल होते हैं।
क्रिस्टल विकास चरण पूरी प्रक्रिया का मूल है, और यह चरण सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के विद्युत गुणों को निर्धारित करता है।

सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री को सामान्य परिस्थितियों में तरल अवस्था में विकसित करना मुश्किल होता है। आज बाजार में प्रचलित वाष्प चरण वृद्धि विधि में वृद्धि तापमान 2300 डिग्री सेल्सियस से अधिक है और वृद्धि तापमान के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। पूरी संचालन प्रक्रिया का निरीक्षण करना लगभग मुश्किल है। थोड़ी सी भी त्रुटि उत्पाद को नष्ट कर देगी। इसकी तुलना में, सिलिकॉन सामग्री को केवल 1600 डिग्री सेल्सियस की आवश्यकता होती है, जो बहुत कम है। सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट तैयार करने में धीमी क्रिस्टल वृद्धि और उच्च क्रिस्टल फॉर्म आवश्यकताओं जैसी कठिनाइयों का भी सामना करना पड़ता है। सिलिकॉन कार्बाइड वेफर वृद्धि में लगभग 7 से 10 दिन लगते हैं, जबकि सिलिकॉन रॉड खींचने में केवल ढाई दिन लगते हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड एक ऐसी सामग्री है जिसकी कठोरता हीरे के बाद दूसरे स्थान पर है। यह काटने, पीसने और चमकाने के दौरान बहुत कुछ खो देगा, और आउटपुट अनुपात केवल 60% है।

हम जानते हैं कि सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के आकार को बढ़ाने की प्रवृत्ति है, जैसे-जैसे आकार बढ़ता जा रहा है, व्यास विस्तार प्रौद्योगिकी की आवश्यकताएं अधिक से अधिक होती जा रही हैं। क्रिस्टल के पुनरावृत्त विकास को प्राप्त करने के लिए विभिन्न तकनीकी नियंत्रण तत्वों के संयोजन की आवश्यकता होती है।