सिलिकॉन कार्बाइडमध्ये कोणते तांत्रिक अडथळे आहेत?Ⅱ

स्थिर कामगिरीसह स्थिरपणे मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करणाऱ्या उच्च-गुणवत्तेच्या सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्समधील तांत्रिक अडचणींमध्ये हे समाविष्ट आहे:

१) २०००°C पेक्षा जास्त तापमान असलेल्या सीलबंद वातावरणात क्रिस्टल्स वाढणे आवश्यक असल्याने, तापमान नियंत्रण आवश्यकता अत्यंत जास्त आहेत;
२) सिलिकॉन कार्बाइडमध्ये २०० पेक्षा जास्त क्रिस्टल स्ट्रक्चर्स असल्याने, परंतु सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन कार्बाइडच्या फक्त काही स्ट्रक्चर्स आवश्यक सेमीकंडक्टर मटेरियल असल्याने, क्रिस्टल वाढीच्या प्रक्रियेदरम्यान सिलिकॉन-टू-कार्बन रेशो, वाढीचे तापमान ग्रेडियंट आणि क्रिस्टल वाढ अचूकपणे नियंत्रित करणे आवश्यक आहे. वेग आणि हवेचा प्रवाह दाब यासारखे पॅरामीटर्स;
३) वाष्प टप्प्यातील प्रसारण पद्धतीअंतर्गत, सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल वाढीचे व्यास विस्तार तंत्रज्ञान अत्यंत कठीण आहे;
४) सिलिकॉन कार्बाइडची कडकपणा हिऱ्याइतकीच असते आणि कापणे, पीसणे आणि पॉलिश करणे हे तंत्र कठीण असते.

SiC एपिटॅक्सियल वेफर्स: सामान्यतः रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) पद्धतीने तयार केले जातात. वेगवेगळ्या डोपिंग प्रकारांनुसार, ते n-प्रकार आणि p-प्रकार एपिटॅक्सियल वेफर्समध्ये विभागले जातात. घरगुती हँटियन तियानचेंग आणि डोंगगुआन तियान्यु आधीच 4-इंच/6-इंच SiC एपिटॅक्सियल वेफर्स प्रदान करू शकतात. SiC एपिटॅक्सिसीसाठी, उच्च-व्होल्टेज क्षेत्रात नियंत्रित करणे कठीण आहे आणि SiC एपिटॅक्सिसीच्या गुणवत्तेचा SiC उपकरणांवर जास्त परिणाम होतो. शिवाय, एपिटॅक्सियल उपकरणे उद्योगातील चार आघाडीच्या कंपन्यांची मक्तेदारी आहेत: अ‍ॅक्सिट्रॉन, LPE, TEL आणि Nuflare.

सिलिकॉन कार्बाइड एपिटॅक्सियलवेफर म्हणजे सिलिकॉन कार्बाइड वेफर ज्यामध्ये मूळ सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटवर विशिष्ट आवश्यकतांसह आणि सब्सट्रेट क्रिस्टल प्रमाणेच एकल क्रिस्टल फिल्म (एपिटाक्सियल लेयर) वाढवली जाते. एपिटॅक्सियल ग्रोथ प्रामुख्याने CVD (केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन, ) उपकरणे किंवा MBE (मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सि) उपकरणे वापरते. सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणे थेट एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये तयार केली जात असल्याने, एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता थेट डिव्हाइसच्या कामगिरी आणि उत्पन्नावर परिणाम करते. डिव्हाइसच्या व्होल्टेज सहनशीलतेत वाढ होत राहिल्याने, संबंधित एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी जाड होते आणि नियंत्रण अधिक कठीण होते. साधारणपणे, जेव्हा व्होल्टेज सुमारे 600V असते, तेव्हा आवश्यक एपिटॅक्सियल लेयर जाडी सुमारे 6 मायक्रॉन असते; जेव्हा व्होल्टेज 1200-1700V दरम्यान असतो, तेव्हा आवश्यक एपिटॅक्सियल लेयर जाडी 10-15 मायक्रॉनपर्यंत पोहोचते. जर व्होल्टेज 10,000 व्होल्टपेक्षा जास्त पोहोचला तर 100 मायक्रॉनपेक्षा जास्त एपिटॅक्सियल लेयर जाडीची आवश्यकता असू शकते. एपिटॅक्सियल थराची जाडी वाढत असताना, जाडी आणि प्रतिरोधकता एकरूपता आणि दोष घनता नियंत्रित करणे अधिकाधिक कठीण होत जाते.

SiC उपकरणे: आंतरराष्ट्रीय स्तरावर, 600~1700V SiC SBD आणि MOSFET चे औद्योगिकीकरण झाले आहे. मुख्य प्रवाहातील उत्पादने 1200V पेक्षा कमी व्होल्टेज पातळीवर काम करतात आणि प्रामुख्याने TO पॅकेजिंगचा अवलंब करतात. किंमतीच्या बाबतीत, आंतरराष्ट्रीय बाजारपेठेतील SiC उत्पादनांची किंमत त्यांच्या Si समकक्षांपेक्षा सुमारे 5-6 पट जास्त आहे. तथापि, पुढील 2-3 वर्षांत अपस्ट्रीम मटेरियल आणि डिव्हाइस उत्पादनाच्या विस्तारासह, बाजारातील पुरवठा वाढेल, ज्यामुळे किंमतीत आणखी कपात होईल अशी अपेक्षा आहे. जेव्हा किंमत Si उत्पादनांच्या 2-3 पट पोहोचेल, तेव्हा कमी झालेल्या सिस्टम खर्चामुळे आणि सुधारित कामगिरीमुळे मिळणारे फायदे हळूहळू SiC ला Si डिव्हाइसेसच्या बाजारपेठेत स्थान मिळवण्यास प्रवृत्त करतील.
पारंपारिक पॅकेजिंग सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट्सवर आधारित असते, तर तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर मटेरियलसाठी पूर्णपणे नवीन डिझाइनची आवश्यकता असते. वाइड-बँडगॅप पॉवर उपकरणांसाठी पारंपारिक सिलिकॉन-आधारित पॅकेजिंग स्ट्रक्चर्स वापरल्याने वारंवारता, थर्मल व्यवस्थापन आणि विश्वासार्हतेशी संबंधित नवीन समस्या आणि आव्हाने येऊ शकतात. SiC पॉवर उपकरणे परजीवी कॅपेसिटन्स आणि इंडक्टन्ससाठी अधिक संवेदनशील असतात. Si उपकरणांच्या तुलनेत, SiC पॉवर चिप्समध्ये जलद स्विचिंग स्पीड असतात, ज्यामुळे ओव्हरशूट, ऑसिलेशन, वाढलेले स्विचिंग लॉस आणि डिव्हाइसमध्ये बिघाड देखील होऊ शकतो. याव्यतिरिक्त, SiC पॉवर उपकरणे उच्च तापमानावर कार्य करतात, ज्यासाठी अधिक प्रगत थर्मल व्यवस्थापन तंत्रांची आवश्यकता असते.

वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर पॉवर पॅकेजिंगच्या क्षेत्रात विविध प्रकारच्या संरचना विकसित केल्या गेल्या आहेत. पारंपारिक Si-आधारित पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंग आता योग्य नाही. पारंपारिक Si-आधारित पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंगच्या उच्च परजीवी पॅरामीटर्स आणि खराब उष्णता नष्ट करण्याच्या कार्यक्षमतेच्या समस्या सोडवण्यासाठी, SiC पॉवर मॉड्यूल पॅकेजिंगने त्याच्या संरचनेत वायरलेस इंटरकनेक्शन आणि डबल-साइड कूलिंग तंत्रज्ञानाचा अवलंब केला आहे, आणि चांगल्या थर्मल चालकतेसह सब्सट्रेट मटेरियल देखील स्वीकारले आहेत, आणि मॉड्यूल स्ट्रक्चरमध्ये डीकपलिंग कॅपेसिटर, तापमान/करंट सेन्सर्स आणि ड्राइव्ह सर्किट एकत्रित करण्याचा प्रयत्न केला आहे आणि विविध मॉड्यूल पॅकेजिंग तंत्रज्ञान विकसित केले आहे. शिवाय, SiC डिव्हाइस उत्पादनात उच्च तांत्रिक अडथळे आहेत आणि उत्पादन खर्च जास्त आहे.

सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणे सीव्हीडी द्वारे सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटवर एपिटॅक्सियल थर जमा करून तयार केली जातात. या प्रक्रियेत साफसफाई, ऑक्सिडेशन, फोटोलिथोग्राफी, एचिंग, फोटोरेझिस्ट स्ट्रिपिंग, आयन इम्प्लांटेशन, सिलिकॉन नायट्राइडचे रासायनिक वाष्प जमा करणे, पॉलिशिंग, स्पटरिंग आणि त्यानंतरच्या प्रक्रिया चरणांचा समावेश आहे जेणेकरून SiC सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेटवर डिव्हाइस स्ट्रक्चर तयार होईल. मुख्य प्रकारच्या SiC पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये SiC डायोड, SiC ट्रान्झिस्टर आणि SiC पॉवर मॉड्यूल समाविष्ट आहेत. मंद अपस्ट्रीम मटेरियल उत्पादन गती आणि कमी उत्पन्न दर यासारख्या घटकांमुळे, सिलिकॉन कार्बाइड डिव्हाइसेसमध्ये तुलनेने जास्त उत्पादन खर्च असतो.

याव्यतिरिक्त, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये काही तांत्रिक अडचणी आहेत:

१) सिलिकॉन कार्बाइड पदार्थांच्या वैशिष्ट्यांशी सुसंगत अशी विशिष्ट प्रक्रिया विकसित करणे आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ: SiC चा वितळण्याचा बिंदू जास्त असतो, ज्यामुळे पारंपारिक थर्मल डिफ्यूजन अप्रभावी ठरतो. आयन इम्प्लांटेशन डोपिंग पद्धत वापरणे आणि तापमान, हीटिंग रेट, कालावधी आणि गॅस फ्लो यासारखे पॅरामीटर्स अचूकपणे नियंत्रित करणे आवश्यक आहे; SiC रासायनिक सॉल्व्हेंट्ससाठी निष्क्रिय आहे. ड्राय एचिंग सारख्या पद्धती वापरल्या पाहिजेत आणि मास्क मटेरियल, गॅस मिश्रण, साइडवॉल स्लोपचे नियंत्रण, एचिंग रेट, साइडवॉल खडबडीतपणा इत्यादी ऑप्टिमाइझ आणि विकसित केल्या पाहिजेत;
२) सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्सवर मेटल इलेक्ट्रोड्सच्या निर्मितीसाठी १०-५Ω२ पेक्षा कमी संपर्क प्रतिरोध आवश्यक आहे. आवश्यकता पूर्ण करणारे इलेक्ट्रोड मटेरियल, Ni आणि Al, १००°C पेक्षा जास्त तापमानात कमी थर्मल स्थिरता असते, परंतु Al/Ni मध्ये चांगली थर्मल स्थिरता असते. /W/Au कंपोझिट इलेक्ट्रोड मटेरियलचा संपर्क विशिष्ट प्रतिकार १०-३Ω२ जास्त असतो;
३) SiC मध्ये कटिंग वेअर जास्त असते आणि SiC ची कडकपणा हिऱ्यानंतर दुसऱ्या क्रमांकावर असते, ज्यामुळे कटिंग, ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग आणि इतर तंत्रज्ञानासाठी उच्च आवश्यकता असतात.

शिवाय, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेस तयार करणे अधिक कठीण आहे. वेगवेगळ्या डिव्हाइस स्ट्रक्चर्सनुसार, सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेस प्रामुख्याने प्लॅनर डिव्हाइसेस आणि ट्रेंच डिव्हाइसेसमध्ये विभागले जाऊ शकतात. प्लॅनर सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये चांगली युनिट सुसंगतता आणि सोपी उत्पादन प्रक्रिया असते, परंतु ते JFET प्रभावास प्रवण असतात आणि उच्च परजीवी कॅपेसिटन्स आणि ऑन-स्टेट प्रतिरोधकता असते. प्लॅनर डिव्हाइसेसच्या तुलनेत, ट्रेंच सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये कमी युनिट सुसंगतता असते आणि त्यांची उत्पादन प्रक्रिया अधिक जटिल असते. तथापि, ट्रेंच स्ट्रक्चर डिव्हाइस युनिट घनता वाढवण्यासाठी अनुकूल आहे आणि JFET प्रभाव निर्माण करण्याची शक्यता कमी आहे, जी चॅनेल गतिशीलतेची समस्या सोडवण्यासाठी फायदेशीर आहे. त्यात लहान ऑन-रेझिस्टन्स, लहान परजीवी कॅपेसिटन्स आणि कमी स्विचिंग ऊर्जा वापर असे उत्कृष्ट गुणधर्म आहेत. त्याचे लक्षणीय खर्च आणि कार्यक्षमता फायदे आहेत आणि ते सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसच्या विकासाची मुख्य दिशा बनले आहे. रोहमच्या अधिकृत वेबसाइटनुसार, ROHM Gen3 स्ट्रक्चर (Gen1 Trench स्ट्रक्चर) ही Gen2 (Plannar2) चिप एरियाच्या फक्त 75% आहे आणि त्याच चिप आकाराखाली ROHM Gen3 स्ट्रक्चरचा ऑन-रेझिस्टन्स 50% ने कमी होतो.

सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणांच्या उत्पादन खर्चात सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट, एपिटॅक्सी, फ्रंट-एंड, संशोधन आणि विकास खर्च आणि इतर खर्च अनुक्रमे ४७%, २३%, १९%, ६% आणि ५% आहेत.

शेवटी, आपण सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग साखळीतील सब्सट्रेट्सचे तांत्रिक अडथळे दूर करण्यावर लक्ष केंद्रित करू.

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्सची उत्पादन प्रक्रिया सिलिकॉन-आधारित सब्सट्रेट्ससारखीच असते, परंतु ती अधिक कठीण असते.
सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटच्या उत्पादन प्रक्रियेमध्ये सामान्यतः कच्च्या मालाचे संश्लेषण, क्रिस्टल वाढ, इनगॉट प्रक्रिया, इनगॉट कटिंग, वेफर ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग, क्लीनिंग आणि इतर दुवे समाविष्ट असतात.
क्रिस्टल वाढीचा टप्पा हा संपूर्ण प्रक्रियेचा गाभा आहे आणि हा टप्पा सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटचे विद्युत गुणधर्म ठरवतो.

सामान्य परिस्थितीत द्रव अवस्थेत सिलिकॉन कार्बाइड पदार्थ वाढणे कठीण असते. आज बाजारात लोकप्रिय असलेल्या वाष्प टप्प्यातील वाढीच्या पद्धतीचे वाढीचे तापमान २३००°C पेक्षा जास्त असते आणि त्यामुळे वाढीच्या तापमानाचे अचूक नियंत्रण आवश्यक असते. संपूर्ण ऑपरेशन प्रक्रिया पाळणे जवळजवळ कठीण आहे. थोडीशी चूक झाल्यास उत्पादन स्क्रॅपिंग होईल. त्या तुलनेत, सिलिकॉन पदार्थांना फक्त १६००℃ तापमानाची आवश्यकता असते, जे खूपच कमी आहे. सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स तयार करताना मंद क्रिस्टल वाढ आणि उच्च क्रिस्टल फॉर्म आवश्यकता यासारख्या अडचणींना देखील तोंड द्यावे लागते. सिलिकॉन कार्बाइड वेफर वाढीस सुमारे ७ ते १० दिवस लागतात, तर सिलिकॉन रॉड ओढण्यास फक्त अडीच दिवस लागतात. शिवाय, सिलिकॉन कार्बाइड ही अशी सामग्री आहे ज्याची कडकपणा हिऱ्यानंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे. कटिंग, ग्राइंडिंग आणि पॉलिशिंग दरम्यान ते बरेच काही गमावेल आणि आउटपुट रेशो फक्त ६०% आहे.

आपल्याला माहिती आहे की सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्सचा आकार वाढवण्याचा ट्रेंड आहे, आकार वाढत असताना, व्यास विस्तार तंत्रज्ञानाच्या आवश्यकता वाढत आहेत. क्रिस्टल्सची पुनरावृत्ती वाढ साध्य करण्यासाठी विविध तांत्रिक नियंत्रण घटकांचे संयोजन आवश्यक आहे.