स्थिर कार्यक्षमतेसह उच्च-गुणवत्तेच्या सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्सचे मोठ्या प्रमाणावर स्थिरपणे उत्पादन करण्यामधील तांत्रिक अडचणींमध्ये खालील बाबींचा समावेश आहे:
१) स्फटिकांना २०००°C पेक्षा जास्त तापमानाच्या बंदिस्त वातावरणात वाढणे आवश्यक असल्याने, तापमान नियंत्रणाची आवश्यकता अत्यंत जास्त असते;
२) सिलिकॉन कार्बाइडमध्ये २०० पेक्षा जास्त स्फटिक संरचना असल्या तरी, एकल-स्फटिक सिलिकॉन कार्बाइडच्या केवळ काही संरचनाच आवश्यक अर्धसंवाहक पदार्थ आहेत, त्यामुळे स्फटिक वाढ प्रक्रियेदरम्यान सिलिकॉन-ते-कार्बन गुणोत्तर, वाढ तापमान प्रवणता आणि स्फटिक वाढ यावर वेग आणि हवेच्या प्रवाहाचा दाब यांसारख्या पॅरामीटर्सवर अचूक नियंत्रण ठेवणे आवश्यक आहे;
३) बाष्प अवस्थेतील पारेषण पद्धतीनुसार, सिलिकॉन कार्बाइड स्फटिकांच्या वाढीचे व्यास विस्तार तंत्रज्ञान अत्यंत कठीण आहे;
४) सिलिकॉन कार्बाइडची कठीणता हिऱ्याच्या जवळपास असते आणि त्यामुळे त्याला कापणे, घासणे आणि पॉलिश करणे यांसारखी तंत्रे अवघड असतात.
SiC एपिटॅक्सियल वेफर्स: सामान्यतः केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (CVD) पद्धतीने तयार केले जातात. वेगवेगळ्या डोपिंग प्रकारांनुसार, त्यांची n-टाइप आणि p-टाइप एपिटॅक्सियल वेफर्समध्ये विभागणी केली जाते. देशांतर्गत हानटियन तियानचेंग आणि डोंगगुआन तियानयू आधीपासूनच ४-इंच/६-इंच SiC एपिटॅक्सियल वेफर्स पुरवू शकतात. SiC एपिटॅक्सीसाठी, उच्च-व्होल्टेज क्षेत्रात नियंत्रण ठेवणे कठीण असते आणि SiC एपिटॅक्सीच्या गुणवत्तेचा SiC उपकरणांवर मोठा परिणाम होतो. शिवाय, एपिटॅक्सियल उपकरणांवर या उद्योगातील चार अग्रगण्य कंपन्यांची मक्तेदारी आहे: अॅक्सिट्रॉन, LPE, TEL आणि नुफ्लेअर.
सिलिकॉन कार्बाइड एपिटॅक्सियलवेफर म्हणजे एक सिलिकॉन कार्बाइड वेफर, ज्यामध्ये मूळ सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटवर विशिष्ट आवश्यकतांनुसार आणि सब्सट्रेट क्रिस्टलसारखाच एकल क्रिस्टल थर (एपिटॅक्सियल थर) वाढवला जातो. एपिटॅक्सियल वाढीसाठी प्रामुख्याने सीव्हीडी (केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन) उपकरणे किंवा एमबीई (मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी) उपकरणांचा वापर केला जातो. सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणे थेट एपिटॅक्सियल थरात तयार केली जात असल्यामुळे, एपिटॅक्सियल थराच्या गुणवत्तेचा उपकरणाच्या कार्यक्षमतेवर आणि उत्पादनावर थेट परिणाम होतो. उपकरणाची व्होल्टेज सहन करण्याची क्षमता जसजशी वाढत जाते, तसतशी संबंधित एपिटॅक्सियल थराची जाडी वाढत जाते आणि त्यावर नियंत्रण ठेवणे अधिक कठीण होते. साधारणपणे, जेव्हा व्होल्टेज सुमारे ६००V असतो, तेव्हा आवश्यक एपिटॅक्सियल थराची जाडी सुमारे ६ मायक्रॉन असते; जेव्हा व्होल्टेज १२००-१७००V च्या दरम्यान असतो, तेव्हा आवश्यक एपिटॅक्सियल थराची जाडी १०-१५ मायक्रॉनपर्यंत पोहोचते. जर व्होल्टेज १०,००० व्होल्टपेक्षा जास्त असेल, तर १०० मायक्रॉनपेक्षा जास्त जाडीच्या एपिटॅक्सियल थराची आवश्यकता असू शकते. एपिटॅक्सियल थराची जाडी जसजशी वाढत जाते, तसतसे जाडी आणि रोधकता यांची एकसमानता तसेच दोष घनता नियंत्रित करणे अधिकाधिक कठीण होत जाते.
SiC उपकरणे: आंतरराष्ट्रीय स्तरावर, 600~1700V SiC SBD आणि MOSFET चे औद्योगिकीकरण झाले आहे. मुख्य उत्पादने 1200V पेक्षा कमी व्होल्टेज पातळीवर कार्य करतात आणि प्रामुख्याने TO पॅकेजिंगचा वापर करतात. किमतीच्या बाबतीत, आंतरराष्ट्रीय बाजारात SiC उत्पादनांची किंमत त्यांच्या Si समकक्ष उत्पादनांपेक्षा सुमारे 5-6 पट जास्त आहे. तथापि, किमती वार्षिक 10% दराने कमी होत आहेत. पुढील 2-3 वर्षांत कच्च्या मालाच्या आणि उपकरण उत्पादनाच्या विस्तारामुळे, बाजारातील पुरवठा वाढेल, ज्यामुळे किमतीत आणखी घट होईल. अशी अपेक्षा आहे की जेव्हा किंमत Si उत्पादनांच्या 2-3 पट होईल, तेव्हा कमी झालेला सिस्टीम खर्च आणि सुधारित कामगिरीमुळे मिळणारे फायदे हळूहळू SiC ला Si उपकरणांची बाजारपेठेतील जागा घेण्यास प्रवृत्त करतील.
पारंपारिक पॅकेजिंग सिलिकॉन-आधारित सबस्ट्रेट्सवर आधारित असते, तर तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर मटेरियलसाठी पूर्णपणे नवीन डिझाइनची आवश्यकता असते. वाइड-बँडगॅप पॉवर डिव्हाइसेससाठी पारंपारिक सिलिकॉन-आधारित पॅकेजिंग संरचना वापरल्याने फ्रिक्वेन्सी, थर्मल मॅनेजमेंट आणि विश्वसनीयता यांच्याशी संबंधित नवीन समस्या आणि आव्हाने निर्माण होऊ शकतात. SiC पॉवर डिव्हाइसेस पॅरासिटिक कपॅसिटन्स आणि इंडक्टन्ससाठी अधिक संवेदनशील असतात. Si डिव्हाइसेसच्या तुलनेत, SiC पॉवर चिप्सचा स्विचिंग वेग जास्त असतो, ज्यामुळे ओव्हरशूट, ऑसिलेशन, वाढलेले स्विचिंग लॉसेस आणि डिव्हाइसमध्ये बिघाड देखील होऊ शकतो. याव्यतिरिक्त, SiC पॉवर डिव्हाइसेस उच्च तापमानात कार्य करतात, ज्यामुळे अधिक प्रगत थर्मल मॅनेजमेंट तंत्रांची आवश्यकता असते.
वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर पॉवर पॅकेजिंगच्या क्षेत्रात विविध प्रकारच्या संरचना विकसित केल्या गेल्या आहेत. पारंपरिक Si-आधारित पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंग आता योग्य राहिलेले नाही. पारंपरिक Si-आधारित पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंगमधील उच्च पॅरासिटिक पॅरामीटर्स आणि कमी उष्णता वहन क्षमतेच्या समस्या सोडवण्यासाठी, SiC पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंगमध्ये वायरलेस इंटरकनेक्शन आणि डबल-साइड कूलिंग तंत्रज्ञानाचा वापर केला जातो. तसेच, उत्तम औष्णिक वाहकता असलेल्या सबस्ट्रेट मटेरियलचा वापर करून, डिकपलिंग कपॅसिटर्स, तापमान/करंट सेन्सर्स आणि ड्राइव्ह सर्किट्सना मॉड्यूलच्या संरचनेत एकत्रित करण्याचा प्रयत्न केला गेला आणि विविध प्रकारची मॉड्यूल पॅकेजिंग तंत्रज्ञानं विकसित केली गेली. याशिवाय, SiC डिव्हाइसच्या निर्मितीमध्ये मोठे तांत्रिक अडथळे आहेत आणि उत्पादन खर्चही जास्त आहे.
सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणे सीव्हीडी (CVD) द्वारे सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटवर एपिटॅक्सियल थर जमा करून तयार केली जातात. या प्रक्रियेमध्ये SiC सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर उपकरणाची रचना तयार करण्यासाठी स्वच्छता, ऑक्सिडेशन, फोटोलिथोग्राफी, एचिंग, फोटोरेझिस्ट काढणे, आयन इम्प्लांटेशन, सिलिकॉन नायट्राइडचे केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन, पॉलिशिंग, स्पटरिंग आणि त्यानंतरच्या प्रक्रिया टप्प्यांचा समावेश असतो. SiC पॉवर उपकरणांच्या मुख्य प्रकारांमध्ये SiC डायोड, SiC ट्रान्झिस्टर आणि SiC पॉवर मॉड्यूल यांचा समावेश होतो. कच्च्या मालाच्या उत्पादनाचा मंद वेग आणि कमी उत्पादन दर यांसारख्या घटकांमुळे, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणांचा उत्पादन खर्च तुलनेने जास्त असतो.
याव्यतिरिक्त, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण निर्मितीमध्ये काही तांत्रिक अडचणी आहेत:
१) सिलिकॉन कार्बाइड पदार्थांच्या वैशिष्ट्यांशी सुसंगत अशी एक विशिष्ट प्रक्रिया विकसित करणे आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ: SiC चा वितळणांक उच्च असतो, ज्यामुळे पारंपरिक औष्णिक विसरण (thermal diffusion) पद्धत कुचकामी ठरते. आयन इम्प्लांटेशन डोपिंग पद्धतीचा वापर करणे आणि तापमान, तापवण्याचा दर, कालावधी आणि वायू प्रवाह यांसारख्या पॅरामीटर्सवर अचूक नियंत्रण ठेवणे आवश्यक आहे; SiC रासायनिक द्रावकांप्रति निष्क्रिय असते. ड्राय एचिंगसारख्या पद्धतींचा वापर केला पाहिजे आणि मास्क मटेरियल, वायू मिश्रण, साइडवॉल स्लोपचे नियंत्रण, एचिंगचा दर, साइडवॉलची खडबडीतपणा इत्यादी गोष्टी ऑप्टिमाइझ करून विकसित केल्या पाहिजेत;
२) सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्सवर धातूचे इलेक्ट्रोड तयार करण्यासाठी १०⁻⁵Ω² पेक्षा कमी संपर्क प्रतिरोध आवश्यक असतो. या आवश्यकता पूर्ण करणारे इलेक्ट्रोड मटेरियल, Ni आणि Al, यांची १००°C पेक्षा जास्त तापमानात औष्णिक स्थिरता कमी असते, परंतु Al/Ni ची औष्णिक स्थिरता चांगली असते. /W/Au कंपोझिट इलेक्ट्रोड मटेरियलचा संपर्क विशिष्ट प्रतिरोध १०⁻³Ω² ने जास्त असतो;
३) SiC मध्ये कटिंग वेअर जास्त असते आणि त्याची कठीणता हिऱ्यानंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे, ज्यामुळे कटिंग, ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग आणि इतर तंत्रज्ञानासाठी उच्च आवश्यकता निर्माण होतात.
शिवाय, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसचे उत्पादन करणे अधिक कठीण असते. वेगवेगळ्या डिव्हाइस संरचनांनुसार, सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसचे मुख्यत्वे प्लॅनर डिव्हाइसेस आणि ट्रेंच डिव्हाइसेसमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते. प्लॅनर सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये चांगली युनिट सुसंगतता आणि सोपी उत्पादन प्रक्रिया असते, परंतु त्यात JFET इफेक्ट होण्याची शक्यता असते आणि उच्च पॅरासिटिक कपॅसिटन्स व ऑन-स्टेट रेझिस्टन्स असतो. प्लॅनर डिव्हाइसेसच्या तुलनेत, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये कमी युनिट सुसंगतता असते आणि त्यांची उत्पादन प्रक्रिया अधिक गुंतागुंतीची असते. तथापि, ट्रेंच संरचना डिव्हाइस युनिट घनता वाढवण्यासाठी अनुकूल आहे आणि JFET इफेक्ट निर्माण होण्याची शक्यता कमी असते, जे चॅनल मोबिलिटीची समस्या सोडवण्यासाठी फायदेशीर आहे. यात कमी ऑन-रेझिस्टन्स, कमी पॅरासिटिक कपॅसिटन्स आणि कमी स्विचिंग ऊर्जा वापर यांसारखे उत्कृष्ट गुणधर्म आहेत. यात खर्च आणि कार्यक्षमतेच्या दृष्टीने महत्त्वपूर्ण फायदे आहेत आणि ते सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसच्या विकासाची मुख्य दिशा बनले आहे. रोहमच्या अधिकृत वेबसाइटनुसार, रोहम जेन3 स्ट्रक्चर (जेन1 ट्रेंच स्ट्रक्चर) हे जेन2 (प्लॅनर2) चिप क्षेत्राच्या केवळ 75% आहे आणि समान चिप आकारात रोहम जेन3 स्ट्रक्चरचा ऑन-रेझिस्टन्स 50% ने कमी होतो.
सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणांच्या उत्पादन खर्चात सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट, एपिटॅक्सी, फ्रंट-एंड, संशोधन आणि विकास खर्च आणि इतरांचा वाटा अनुक्रमे 47%, 23%, 19%, 6% आणि 5% असतो.
शेवटी, आम्ही सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग साखळीतील सबस्ट्रेट्सचे तांत्रिक अडथळे दूर करण्यावर लक्ष केंद्रित करू.
सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्सची उत्पादन प्रक्रिया सिलिकॉन-आधारित सबस्ट्रेट्ससारखीच असते, परंतु ती अधिक कठीण असते.
सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेटच्या उत्पादन प्रक्रियेमध्ये सामान्यतः कच्च्या मालाचे संश्लेषण, स्फटिक वाढ, इंगॉट प्रक्रिया, इंगॉट कटिंग, वेफर ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग, स्वच्छता आणि इतर टप्प्यांचा समावेश असतो.
स्फटिक वाढीचा टप्पा हा संपूर्ण प्रक्रियेचा गाभा आहे आणि हा टप्पा सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेटचे विद्युत गुणधर्म निश्चित करतो.
सामान्य परिस्थितीत द्रव अवस्थेत सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री वाढवणे कठीण असते. आज बाजारात लोकप्रिय असलेल्या बाष्प अवस्थेतील वाढ पद्धतीमध्ये वाढीचे तापमान २३००°C पेक्षा जास्त असते आणि वाढीच्या तापमानावर अचूक नियंत्रणाची आवश्यकता असते. संपूर्ण कार्यप्रक्रियेचे निरीक्षण करणे जवळजवळ कठीण असते. एका लहानशा चुकीमुळे उत्पादन वाया जाते. या तुलनेत, सिलिकॉन सामग्रीसाठी फक्त १६००°C तापमानाची आवश्यकता असते, जे खूपच कमी आहे. सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट तयार करताना मंद स्फटिक वाढ आणि उच्च स्फटिक स्वरूपाच्या आवश्यकता यांसारख्या अडचणींचाही सामना करावा लागतो. सिलिकॉन कार्बाइड वेफरच्या वाढीसाठी सुमारे ७ ते १० दिवस लागतात, तर सिलिकॉन रॉड खेचण्यासाठी फक्त अडीच दिवस लागतात. शिवाय, सिलिकॉन कार्बाइड हा हिऱ्यानंतर दुसऱ्या क्रमांकाचा कठीण पदार्थ आहे. कापताना, घासताना आणि पॉलिश करताना त्याचे बरेच नुकसान होते आणि उत्पादनाचे प्रमाण फक्त ६०% असते.
आपल्याला माहित आहे की सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्सचा आकार वाढवण्याचा कल आहे, आणि जसजसा आकार वाढत जातो, तसतशा व्यास विस्तार तंत्रज्ञानासाठीच्या गरजा अधिकाधिक वाढत जातात. स्फटिकांची पुनरावृत्ती वाढ साध्य करण्यासाठी विविध तांत्रिक नियंत्रण घटकांच्या संयोजनाची आवश्यकता असते.
पोस्ट करण्याची वेळ: २२ मे २०२४