सिलिकॉन कार्बाइड के लिए तकनीकी बाधाएं क्या हैं?

स्थिर प्रदर्शन के साथ उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स के स्थिर रूप से बड़े पैमाने पर उत्पादन में आने वाली तकनीकी कठिनाइयों में निम्नलिखित शामिल हैं:

1) चूंकि क्रिस्टल को 2000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के उच्च तापमान वाले सीलबंद वातावरण में विकसित होने की आवश्यकता होती है, इसलिए तापमान नियंत्रण की आवश्यकताएं अत्यंत उच्च 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 वृद्धि प्रक्रिया के दौरान सिलिकॉन-से-कार्बन अनुपात, वृद्धि तापमान प्रवणता और क्रिस्टल वृद्धि को सटीक रूप से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है। गति और वायु प्रवाह दबाव जैसे मापदंड भी महत्वपूर्ण हैं;
3) वाष्प चरण संचरण विधि के तहत, सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल वृद्धि की व्यास विस्तार तकनीक अत्यंत कठिन है;
4) सिलिकॉन कार्बाइड की कठोरता हीरे के लगभग बराबर होती है, और इसकी कटिंग, ग्राइंडिंग और पॉलिशिंग तकनीकें कठिन होती हैं।

SiC एपिटैक्सियल वेफर्स: आमतौर पर रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) विधि द्वारा निर्मित होते हैं। विभिन्न डोपिंग प्रकारों के आधार पर, इन्हें n-प्रकार और p-प्रकार के एपिटैक्सियल वेफर्स में विभाजित किया जाता है। घरेलू स्तर पर, हंटियन तियानचेंग और डोंगगुआन तियान्यु 4-इंच/6-इंच SiC एपिटैक्सियल वेफर्स उपलब्ध करा सकते हैं। SiC एपिटैक्सी में, उच्च-वोल्टेज क्षेत्र में नियंत्रण करना कठिन होता है, और SiC एपिटैक्सी की गुणवत्ता SiC उपकरणों पर गहरा प्रभाव डालती है। इसके अलावा, एपिटैक्सियल उपकरण उद्योग की चार अग्रणी कंपनियों - एक्सिट्रॉन, एलपीई, टीईएल और नुफ्लेयर - के एकाधिकार में हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियलवेफर से तात्पर्य सिलिकॉन कार्बाइड वेफर से है, जिस पर मूल सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर कुछ निश्चित आवश्यकताओं के अनुरूप और सब्सट्रेट क्रिस्टल के समान एकल क्रिस्टल फिल्म (एपिटैक्सियल परत) विकसित की जाती है। एपिटैक्सियल विकास के लिए मुख्य रूप से सीवीडी (केमिकल वेपर डिपोजिशन) या एमबीई (मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी) उपकरण का उपयोग किया जाता है। चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों का निर्माण सीधे एपिटैक्सियल परत में किया जाता है, इसलिए एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता उपकरण के प्रदर्शन और उत्पादन को सीधे प्रभावित करती है। जैसे-जैसे उपकरण की वोल्टेज सहन क्षमता बढ़ती है, संबंधित एपिटैक्सियल परत की मोटाई भी बढ़ती जाती है और नियंत्रण अधिक कठिन हो जाता है। सामान्यतः, जब वोल्टेज लगभग 600V होता है, तो आवश्यक एपिटैक्सियल परत की मोटाई लगभग 6 माइक्रोन होती है; जब वोल्टेज 1200-1700V के बीच होता है, तो आवश्यक एपिटैक्सियल परत की मोटाई 10-15 माइक्रोन तक पहुंच जाती है। यदि वोल्टेज 10,000 वोल्ट से अधिक हो जाता है, तो 100 माइक्रोन से अधिक मोटाई वाली एपिटैक्सियल परत की आवश्यकता हो सकती है। जैसे-जैसे एपिटैक्सियल परत की मोटाई बढ़ती जाती है, मोटाई और प्रतिरोधकता की एकरूपता और दोष घनत्व को नियंत्रित करना उतना ही मुश्किल होता जाता है।

SiC उपकरण: अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, 600~1700V SiC SBD और MOSFET का औद्योगीकरण हो चुका है। मुख्य उत्पाद 1200V से कम वोल्टेज स्तर पर काम करते हैं और मुख्य रूप से TO पैकेजिंग का उपयोग करते हैं। कीमत की बात करें तो, अंतरराष्ट्रीय बाजार में SiC उत्पादों की कीमत उनके Si समकक्षों की तुलना में लगभग 5-6 गुना अधिक है। हालांकि, कीमतों में सालाना 10% की दर से गिरावट आ रही है। अगले 2-3 वर्षों में अपस्ट्रीम सामग्रियों और उपकरण उत्पादन के विस्तार के साथ, बाजार में आपूर्ति बढ़ेगी, जिससे कीमतों में और कमी आएगी। यह उम्मीद की जाती है कि जब कीमत Si उत्पादों की कीमत से 2-3 गुना हो जाएगी, तो कम सिस्टम लागत और बेहतर प्रदर्शन से मिलने वाले लाभ धीरे-धीरे SiC को Si उपकरणों के बाजार में जगह बनाने में मदद करेंगे।
परंपरागत पैकेजिंग सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट पर आधारित होती है, जबकि तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों के लिए पूरी तरह से नए डिज़ाइन की आवश्यकता होती है। वाइड-बैंडगैप पावर उपकरणों के लिए परंपरागत सिलिकॉन-आधारित पैकेजिंग संरचनाओं का उपयोग करने से आवृत्ति, थर्मल प्रबंधन और विश्वसनीयता से संबंधित नई समस्याएं और चुनौतियां उत्पन्न हो सकती हैं। SiC पावर उपकरण पैरासिटिक कैपेसिटेंस और इंडक्टेंस के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं। Si उपकरणों की तुलना में, SiC पावर चिप्स की स्विचिंग गति तेज़ होती है, जिससे ओवरशूट, ऑसिलेशन, स्विचिंग हानि में वृद्धि और यहां तक ​​कि उपकरण की खराबी भी हो सकती है। इसके अतिरिक्त, SiC पावर उपकरण उच्च तापमान पर कार्य करते हैं, जिसके लिए अधिक उन्नत थर्मल प्रबंधन तकनीकों की आवश्यकता होती है।

वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर पावर पैकेजिंग के क्षेत्र में विभिन्न प्रकार की संरचनाएं विकसित की गई हैं। पारंपरिक Si-आधारित पावर मॉड्यूल पैकेजिंग अब उपयुक्त नहीं है। पारंपरिक Si-आधारित पावर मॉड्यूल पैकेजिंग की उच्च परजीवी मापदंडों और कम ऊष्मा 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, साथ ही बेहतर तापीय चालकता वाले सब्सट्रेट पदार्थों का उपयोग करती है, और मॉड्यूल संरचना में डीकपलिंग कैपेसिटर, तापमान/करंट सेंसर और ड्राइव सर्किट को एकीकृत करने का प्रयास करती है, जिससे विभिन्न प्रकार की मॉड्यूल पैकेजिंग प्रौद्योगिकियां विकसित हुई हैं। इसके अलावा, SiC डिवाइस निर्माण में उच्च तकनीकी बाधाएं हैं और उत्पादन लागत भी अधिक है।

सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों का निर्माण सीवीडी (CVD) विधि द्वारा सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल परतें जमा करके किया जाता है। इस प्रक्रिया में सफाई, ऑक्सीकरण, फोटोलिथोग्राफी, एचिंग, फोटोरेसिस्ट को हटाना, आयन इम्प्लांटेशन, सिलिकॉन नाइट्राइड का रासायनिक वाष्प निक्षेपण, पॉलिशिंग, स्पटरिंग और अन्य कई चरण शामिल हैं, जिनके द्वारा SiC एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर उपकरण संरचना का निर्माण होता है। SiC विद्युत उपकरणों के मुख्य प्रकारों में SiC डायोड, SiC ट्रांजिस्टर और SiC पावर मॉड्यूल शामिल हैं। धीमी प्रारंभिक सामग्री उत्पादन गति और कम उत्पादन दर जैसे कारकों के कारण, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों की निर्माण लागत अपेक्षाकृत अधिक होती है।

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

1) सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री की विशेषताओं के अनुरूप एक विशिष्ट प्रक्रिया विकसित करना आवश्यक है। उदाहरण के लिए: SiC का गलनांक उच्च होता है, जिससे पारंपरिक ऊष्मीय विसरण अप्रभावी हो जाता है। आयन प्रत्यारोपण डोपिंग विधि का उपयोग करना और तापमान, तापन दर, अवधि और गैस प्रवाह जैसे मापदंडों को सटीक रूप से नियंत्रित करना आवश्यक है; SiC रासायनिक विलायकों के प्रति अक्रिय है। शुष्क नक़्क़ाशी जैसी विधियों का उपयोग किया जाना चाहिए, और मास्क सामग्री, गैस मिश्रण, पार्श्व भित्ति ढलान का नियंत्रण, नक़्क़ाशी दर, पार्श्व भित्ति 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, जैसे Ni और Al, 100°C से ऊपर खराब तापीय स्थिरता रखते हैं, लेकिन Al/Ni में बेहतर तापीय स्थिरता होती है। /W/Au मिश्रित इलेक्ट्रोड सामग्री का संपर्क विशिष्ट प्रतिरोध 10-3Ω2 अधिक होता है;
3) SiC में उच्च कटिंग वियर होता है, और SiC की कठोरता हीरे के बाद दूसरे स्थान पर है, जो कटिंग, ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग और अन्य तकनीकों के लिए उच्चतर आवश्यकताएं निर्धारित करती है।

इसके अलावा, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइसों का निर्माण अधिक कठिन होता है। विभिन्न डिवाइस संरचनाओं के आधार पर, सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइसों को मुख्य रूप से प्लानर डिवाइस और ट्रेंच डिवाइस में विभाजित किया जा सकता है। प्लानर सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइसों में यूनिट की स्थिरता अच्छी होती है और निर्माण प्रक्रिया सरल होती है, लेकिन इनमें JFET प्रभाव की संभावना अधिक होती है और इनमें उच्च पैरासिटिक कैपेसिटेंस और ऑन-स्टेट प्रतिरोध होता है। प्लानर डिवाइसों की तुलना में, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइसों में यूनिट की स्थिरता कम होती है और निर्माण प्रक्रिया अधिक जटिल होती है। हालांकि, ट्रेंच संरचना डिवाइस यूनिट घनत्व बढ़ाने में सहायक होती है और JFET प्रभाव उत्पन्न होने की संभावना कम होती है, जो चैनल मोबिलिटी की समस्या को हल करने में फायदेमंद है। इसमें कम ऑन-प्रतिरोध, कम पैरासिटिक कैपेसिटेंस और कम स्विचिंग ऊर्जा खपत जैसे उत्कृष्ट गुण हैं। इसमें लागत और प्रदर्शन के मामले में महत्वपूर्ण लाभ हैं और यह सिलिकॉन कार्बाइड पावर डिवाइसों के विकास की मुख्य दिशा बन गई है। रोहम की आधिकारिक वेबसाइट के अनुसार, आरओएचएम जेन3 संरचना (जेन1 ट्रेंच संरचना) का क्षेत्रफल जेन2 (प्लानर2) चिप के क्षेत्रफल का केवल 75% है, और समान चिप आकार के तहत आरओएचएम जेन3 संरचना का ऑन-रेसिस्टेंस 50% तक कम हो जाता है।

सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों की निर्माण लागत में सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट, एपिटैक्सी, फ्रंट-एंड, अनुसंधान एवं विकास व्यय और अन्य का क्रमशः 47%, 23%, 19%, 6% और 5% हिस्सा होता है।

अंत में, हम सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग श्रृंखला में सब्सट्रेट की तकनीकी बाधाओं को दूर करने पर ध्यान केंद्रित करेंगे।

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की उत्पादन प्रक्रिया सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट की उत्पादन प्रक्रिया के समान है, लेकिन अधिक कठिन है।
सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की निर्माण प्रक्रिया में आम तौर पर कच्चे माल का संश्लेषण, क्रिस्टल विकास, पिंड प्रसंस्करण, पिंड कटाई, वेफर पीसना, पॉलिश करना, सफाई और अन्य चरण शामिल होते हैं।
क्रिस्टल वृद्धि का चरण पूरी प्रक्रिया का मूल है, और यह चरण सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के विद्युत गुणों को निर्धारित करता है।

सामान्य परिस्थितियों में सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री को तरल अवस्था में विकसित करना कठिन है। आज बाजार में प्रचलित वाष्प अवस्था विकास विधि में विकास तापमान 2300°C से अधिक होता है और इसके लिए विकास तापमान पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। पूरी प्रक्रिया पर नज़र रखना लगभग असंभव है। थोड़ी सी भी त्रुटि उत्पाद को नष्ट कर सकती है। तुलनात्मक रूप से, सिलिकॉन सामग्री के लिए केवल 1600°C तापमान की आवश्यकता होती है, जो काफी कम है। सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट तैयार करने में भी क्रिस्टल की धीमी वृद्धि और उच्च क्रिस्टल आकार की आवश्यकता जैसी कठिनाइयाँ आती हैं। सिलिकॉन कार्बाइड वेफर के विकास में लगभग 7 से 10 दिन लगते हैं, जबकि सिलिकॉन रॉड को खींचने में केवल ढाई दिन लगते हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड एक ऐसी सामग्री है जिसकी कठोरता हीरे के बाद दूसरे स्थान पर है। कटाई, पिसाई और पॉलिशिंग के दौरान इसमें काफी कमी आती है, और उत्पादन अनुपात केवल 60% है।

हम जानते हैं कि सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के आकार को बढ़ाने का चलन है, और जैसे-जैसे आकार बढ़ता जा रहा है, व्यास विस्तार तकनीक की आवश्यकताएँ भी बढ़ती जा रही हैं। क्रिस्टल की पुनरावर्ती वृद्धि प्राप्त करने के लिए विभिन्न तकनीकी नियंत्रण तत्वों के संयोजन की आवश्यकता होती है।