อุปสรรคทางเทคนิคของซิลิกอนคาร์ไบด์มีอะไรบ้าง?

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกนั้นประกอบด้วยซิลิกอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) แบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการผลิตวงจรรวม วัสดุเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในทรานซิสเตอร์และเครื่องตรวจจับแรงดันต่ำ ความถี่ต่ำ และกำลังต่ำ ผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 90% ทำจากวัสดุซิลิกอน
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองได้แก่ แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และแกลเลียมฟอสไฟด์ (GaP) เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนแล้ว วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองนี้มีคุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงและความเร็วสูง และใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาออปโตอิเล็กทรอนิกส์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามประกอบด้วยวัสดุใหม่ ๆ เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) สังกะสีออกไซด์ (ZnO) เพชร (C) และอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)

ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็ก และน้ำหนักเบาของระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยคุณสมบัติต้านทานแรงดันไฟฟ้าสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง การสูญเสียต่ำ และคุณสมบัติอื่นๆ ที่ยอดเยี่ยม

เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพที่เหนือกว่า: แบนด์แก๊ปสูง (สอดคล้องกับสนามไฟฟ้าพังทลายสูงและความหนาแน่นของพลังงานสูง) การนำไฟฟ้าสูง และการนำความร้อนสูง คาดว่าจะกลายเป็นวัสดุพื้นฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาของรถยนต์พลังงานใหม่ การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบขนส่งทางราง กริดอัจฉริยะ และสาขาอื่นๆ จึงมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจน

กระบวนการผลิต SiC แบ่งออกเป็น 3 ขั้นตอนหลัก ได้แก่ การเติบโตของผลึกเดี่ยว SiC การเติบโตของชั้นเอพิแทกเซียล และการผลิตอุปกรณ์ ซึ่งสอดคล้องกับขั้นตอนหลักทั้งสี่ของห่วงโซ่อุตสาหกรรม:พื้นผิว, เอพิแทกซี, อุปกรณ์ และโมดูล

วิธีหลักในการผลิตสารตั้งต้นใช้การระเหิดด้วยไอทางกายภาพก่อนเพื่อระเหิดผงในสภาพแวดล้อมสูญญากาศอุณหภูมิสูง และสร้างผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์บนพื้นผิวของผลึกเมล็ดพืชผ่านการควบคุมอุณหภูมิ การใช้เวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นสารตั้งต้น การสะสมไอทางเคมีจะใช้เพื่อสะสมชั้นของผลึกเดี่ยวบนเวเฟอร์เพื่อสร้างเวเฟอร์เอพิแทกเซียล ในจำนวนนี้ การปลูกชั้นเอพิแทกเซียลซิลิกอนคาร์ไบด์บนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสามารถนำไปทำเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า โฟโตวอลตาอิกส์ และสาขาอื่นๆ การปลูกชั้นเอพิแทกเซียลแกเลียมไนไตรด์บนวัสดุกึ่งฉนวนซิลิกอนคาร์ไบด์พื้นผิวสามารถนำไปทำเป็นอุปกรณ์ความถี่วิทยุ ใช้ในการสื่อสาร 5G และด้านอื่นๆ ได้

ในขณะนี้ พื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์มีอุปสรรคทางเทคนิคสูงสุดในห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์ และพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ผลิตได้ยากที่สุด

ปัญหาคอขวดในการผลิต SiC ยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ และคุณภาพของเสาคริสตัลวัตถุดิบก็ไม่เสถียร และมีปัญหาด้านผลผลิต ซึ่งนำไปสู่ต้นทุนอุปกรณ์ SiC ที่สูง โดยเฉลี่ยแล้ววัสดุซิลิกอนจะใช้เวลาเพียง 3 วันในการเติบโตเป็นแท่งคริสตัล แต่แท่งคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์ต้องใช้เวลาหนึ่งสัปดาห์ แท่งคริสตัลซิลิกอนทั่วไปสามารถเติบโตได้ยาว 200 ซม. แต่แท่งคริสตัลซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถเติบโตได้ยาวเพียง 2 ซม. นอกจากนี้ SiC เองยังเป็นวัสดุที่แข็งและเปราะบาง และเวเฟอร์ที่ทำจากวัสดุดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะแตกขอบเมื่อใช้การตัดเวเฟอร์เชิงกลแบบดั้งเดิม ซึ่งส่งผลกระทบต่อผลผลิตและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ พื้นผิว SiC นั้นแตกต่างจากแท่งซิลิกอนแบบดั้งเดิมมาก และทุกอย่างตั้งแต่อุปกรณ์ กระบวนการ การประมวลผล ไปจนถึงการตัดต้องได้รับการพัฒนาเพื่อจัดการกับซิลิกอนคาร์ไบด์

ห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์แบ่งออกเป็น 4 ลิงก์หลัก ได้แก่ พื้นผิว วัสดุอิพิแทกซี อุปกรณ์และการใช้งาน วัสดุพื้นผิวเป็นรากฐานของห่วงโซ่อุตสาหกรรม วัสดุอิพิแทกซีเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตอุปกรณ์ อุปกรณ์เป็นแกนหลักของห่วงโซ่อุตสาหกรรม และการใช้งานเป็นแรงผลักดันในการพัฒนาอุตสาหกรรม อุตสาหกรรมต้นน้ำใช้วัตถุดิบในการผลิตวัสดุพื้นผิวผ่านวิธีการระเหิดไอทางกายภาพและวิธีการอื่น ๆ จากนั้นจึงใช้วิธีการตกตะกอนไอทางเคมีและวิธีการอื่น ๆ เพื่อปลูกวัสดุอิพิแทกซี อุตสาหกรรมกลางน้ำใช้วัสดุต้นน้ำในการผลิตอุปกรณ์ความถี่วิทยุ อุปกรณ์กำลัง และอุปกรณ์อื่น ๆ ซึ่งในที่สุดใช้ในการสื่อสาร 5G ปลายน้ำ ยานยนต์ไฟฟ้า ระบบขนส่งทางราง เป็นต้น ในจำนวนนี้ พื้นผิวและอิพิแทกซีคิดเป็น 60% ของต้นทุนห่วงโซ่อุตสาหกรรมและเป็นมูลค่าหลักของห่วงโซ่อุตสาหกรรม

พื้นผิว SiC: โดยทั่วไปแล้วคริสตัล SiC จะผลิตขึ้นโดยใช้กรรมวิธี Lely ผลิตภัณฑ์กระแสหลักในระดับสากลกำลังเปลี่ยนจากขนาด 4 นิ้วเป็น 6 นิ้ว และมีการพัฒนาผลิตภัณฑ์พื้นผิวตัวนำขนาด 8 นิ้ว พื้นผิวในประเทศส่วนใหญ่จะมีขนาด 4 นิ้ว เนื่องจากสายการผลิตเวเฟอร์ซิลิกอนขนาด 6 นิ้วที่มีอยู่สามารถอัปเกรดและแปลงสภาพเพื่อผลิตอุปกรณ์ SiC ได้ จึงทำให้ส่วนแบ่งการตลาดที่สูงของพื้นผิว SiC ขนาด 6 นิ้วจะคงอยู่ต่อไปเป็นเวลานาน

กระบวนการสร้างพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นซับซ้อนและยากต่อการผลิต พื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุผลึกเดี่ยวแบบผสมซึ่งประกอบด้วยธาตุสองชนิด ได้แก่ คาร์บอนและซิลิกอน ปัจจุบัน อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ผงคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์สูงและผงซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์ผงซิลิกอนคาร์ไบด์ ภายใต้สนามอุณหภูมิพิเศษ วิธีการส่งผ่านไอทางกายภาพที่สมบูรณ์ (วิธี PVT) ถูกใช้เพื่อปลูกซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีขนาดต่างกันในเตาปลูกผลึก ในที่สุดแท่งผลึกจะได้รับการประมวลผล ตัด บด ขัด ทำความสะอาด และกระบวนการอื่นๆ อีกมากมายเพื่อผลิตพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์