อุปสรรคทางเทคนิคสำหรับการผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์มีอะไรบ้าง?

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกนั้นประกอบด้วยซิลิคอน (Si) และเจอร์มาเนียม (Ge) ซึ่งเป็นพื้นฐานในการผลิตวงจรรวม (Integrated Circuit) วัสดุเหล่านี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในทรานซิสเตอร์และอุปกรณ์ตรวจจับแรงดันต่ำ ความถี่ต่ำ และกำลังไฟฟ้าต่ำ ผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 90% ผลิตจากวัสดุที่มีซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลัก
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง ได้แก่ แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs), อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และแกลเลียมฟอสไฟด์ (GaP) เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติทางอิเล็กโทรออปติกส์ความถี่สูงและความเร็วสูง และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในด้านอิเล็กโทรออปติกส์และไมโครอิเล็กโทรนิกส์
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามประกอบด้วยวัสดุใหม่ ๆ เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), แกลเลียมไนไตรด์ (GaN), ซิงค์ออกไซด์ (ZnO), เพชร (C) และอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)

ซิลิคอนคาร์ไบด์ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็ก และน้ำหนักเบาของระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ทนต่อแรงดันสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง การสูญเสียต่ำ และคุณสมบัติอื่นๆ

เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพที่เหนือกว่า ได้แก่ ช่องว่างพลังงานสูง (ซึ่งสอดคล้องกับสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวสูงและความหนาแน่นของกำลังสูง) การนำไฟฟ้าสูง และการนำความร้อนสูง จึงคาดว่าจะกลายเป็นวัสดุพื้นฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านยานยนต์พลังงานใหม่ การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบขนส่งทางราง โครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ และสาขาอื่นๆ ที่มีข้อได้เปรียบอย่างเห็นได้ชัด

กระบวนการผลิต SiC แบ่งออกเป็นสามขั้นตอนหลัก ได้แก่ การปลูกผลึกเดี่ยว SiC การปลูกชั้นเอพิแท็กเซียล และการผลิตอุปกรณ์ ซึ่งสอดคล้องกับสี่ส่วนสำคัญของห่วงโซ่อุตสาหกรรม:สารตั้งต้น, เอพิแท็กซีอุปกรณ์และโมดูล

วิธีการผลิตวัสดุตั้งต้นหลักๆ นั้น เริ่มจากการใช้กระบวนการระเหิดไอทางกายภาพ (physical vapor sublimation) เพื่อทำให้ผงวัสดุระเหิดในสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่มีอุณหภูมิสูง และปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์บนพื้นผิวของผลึกต้นแบบโดยการควบคุมสนามอุณหภูมิ โดยใช้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุตั้งต้น ใช้กระบวนการการตกตะกอนไอทางเคมี (chemical vapor deposition) เพื่อตกตะกอนชั้นผลึกเดี่ยวบนเวเฟอร์เพื่อสร้างเวเฟอร์แบบเอพิเท็กเซียล ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ การปลูกชั้นเอพิเท็กเซียลซิลิคอนคาร์ไบด์บนวัสดุตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เป็นตัวนำสามารถนำไปผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า เซลล์แสงอาทิตย์ และสาขาอื่นๆ ส่วนการปลูกชั้นเอพิเท็กเซียลแกลเลียมไนไตรด์บนวัสดุกึ่งฉนวนนั้นพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถนำไปพัฒนาต่อยอดเป็นอุปกรณ์คลื่นความถี่วิทยุ เพื่อใช้ในระบบสื่อสาร 5G และสาขาอื่นๆ ได้อีกด้วย

ในขณะนี้ วัสดุรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์มีอุปสรรคทางเทคนิคสูงที่สุดในห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิคอนคาร์ไบด์ และเป็นวัสดุรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผลิตได้ยากที่สุด

ปัญหาคอขวดในการผลิต SiC ยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ คุณภาพของผลึกวัตถุดิบยังไม่คงที่และมีปัญหาเรื่องผลผลิต ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนของอุปกรณ์ SiC สูง โดยเฉลี่ยแล้ว การปลูกผลึกซิลิคอนใช้เวลาเพียง 3 วัน แต่การปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ต้องใช้เวลาถึงหนึ่งสัปดาห์ ผลึกซิลิคอนทั่วไปสามารถเติบโตได้ยาวถึง 200 เซนติเมตร แต่ผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถเติบโตได้ยาวเพียง 2 เซนติเมตรเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น SiC เองเป็นวัสดุที่แข็งและเปราะ และแผ่นเวเฟอร์ที่ทำจาก SiC มักเกิดการบิ่นที่ขอบเมื่อใช้การตัดเวเฟอร์แบบกลไกแบบดั้งเดิม ซึ่งส่งผลต่อผลผลิตและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ พื้นผิว SiC แตกต่างจากแท่งซิลิคอนแบบดั้งเดิมมาก และทุกอย่างตั้งแต่เครื่องมือ กระบวนการ การแปรรูป ไปจนถึงการตัด จำเป็นต้องได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับซิลิคอนคาร์ไบด์

ห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิคอนคาร์ไบด์แบ่งออกเป็นสี่ส่วนหลัก ได้แก่ วัสดุตั้งต้น การปลูกผลึก อุปกรณ์ และการใช้งาน วัสดุตั้งต้นเป็นรากฐานของห่วงโซ่อุตสาหกรรม วัสดุปลูกผลึกเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตอุปกรณ์ อุปกรณ์เป็นแกนหลักของห่วงโซ่อุตสาหกรรม และการใช้งานเป็นแรงขับเคลื่อนการพัฒนาอุตสาหกรรม อุตสาหกรรมต้นน้ำใช้วัตถุดิบในการผลิตวัสดุตั้งต้นโดยวิธีการระเหยด้วยไอทางกายภาพและวิธีการอื่นๆ จากนั้นใช้วิธีการตกตะกอนด้วยไอทางเคมีและวิธีการอื่นๆ ในการปลูกผลึก อุตสาหกรรมกลางน้ำใช้วัตถุดิบจากอุตสาหกรรมต้นน้ำในการผลิตอุปกรณ์คลื่นความถี่วิทยุ อุปกรณ์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมปลายน้ำ เช่น การสื่อสาร 5G รถยนต์ไฟฟ้า ระบบขนส่งทางราง เป็นต้น โดยวัสดุตั้งต้นและการปลูกผลึกคิดเป็น 60% ของต้นทุนในห่วงโซ่อุตสาหกรรมและเป็นมูลค่าหลักของห่วงโซ่อุตสาหกรรม

แผ่นรองพื้น SiC: โดยทั่วไปแล้วผลึก SiC ผลิตขึ้นโดยใช้วิธี Lely ผลิตภัณฑ์หลักในระดับสากลกำลังเปลี่ยนจากขนาด 4 นิ้วเป็น 6 นิ้ว และมีการพัฒนาผลิตภัณฑ์แผ่นรองพื้นนำไฟฟ้าขนาด 8 นิ้วขึ้นมาแล้ว ในขณะที่แผ่นรองพื้นในประเทศส่วนใหญ่มีขนาด 4 นิ้ว เนื่องจากสายการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนขนาด 6 นิ้วที่มีอยู่สามารถปรับปรุงและเปลี่ยนแปลงเพื่อผลิตอุปกรณ์ SiC ได้ ดังนั้นส่วนแบ่งการตลาดที่สูงของแผ่นรองพื้น SiC ขนาด 6 นิ้วจึงจะคงอยู่ต่อไปอีกนาน

กระบวนการผลิตแผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์มีความซับซ้อนและยากต่อการผลิต แผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุผลึกเดี่ยวชนิดสารกึ่งตัวนำผสมที่ประกอบด้วยธาตุสองชนิดคือ คาร์บอนและซิลิคอน ปัจจุบัน อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ผงคาร์บอนบริสุทธิ์สูงและผงซิลิคอนบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์ผงซิลิคอนคาร์ไบด์ โดยใช้วิธีการส่งผ่านไอระเหยทางกายภาพ (วิธี PVT) ที่พัฒนาแล้ว ภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่เหมาะสม ในการปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาดต่างๆ ในเตาปลูกผลึก จากนั้นจึงนำผลึกที่ได้ไปผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การตัด การเจียร การขัด การทำความสะอาด และอื่นๆ เพื่อผลิตเป็นแผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์