อุปสรรคทางเทคนิคต่อซิลิกอนคาร์ไบด์มีอะไรบ้าง?Ⅱ

ความยากลำบากทางเทคนิคในการผลิตเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์คุณภาพสูงจำนวนมากอย่างมีเสถียรภาพพร้อมประสิทธิภาพที่เสถียร ได้แก่:

1) เนื่องจากผลึกต้องเติบโตในสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิทและมีอุณหภูมิสูงกว่า 2,000°C ความต้องการควบคุมอุณหภูมิจึงสูงมาก
2) เนื่องจากซิลิกอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างผลึกมากกว่า 200 โครงสร้าง แต่มีโครงสร้างซิลิกอนคาร์ไบด์ผลึกเดี่ยวเพียงไม่กี่โครงสร้างเท่านั้นที่เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่จำเป็น อัตราส่วนซิลิกอนต่อคาร์บอน การไล่ระดับอุณหภูมิการเจริญเติบโต และการเติบโตของผลึกจึงต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำในระหว่างกระบวนการเติบโตของผลึก พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความเร็วและแรงดันการไหลของอากาศ
3) ภายใต้การส่งผ่านเฟสไอ เทคโนโลยีการขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของการเจริญเติบโตของผลึกซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นยากมาก
4) ความแข็งของซิลิกอนคาร์ไบด์ใกล้เคียงกับความแข็งของเพชร และเทคนิคการตัด การเจียร และการขัดทำได้ยาก

เวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiC: มักผลิตโดยวิธีการสะสมไอเคมี (CVD) ตามประเภทการเจือปนสารต่างๆ เวเฟอร์เหล่านี้จะถูกแบ่งออกเป็นเวเฟอร์เอพิแทกเซียลประเภท n และประเภท p Hantian Tiancheng และ Dongguan Tianyu ในประเทศสามารถผลิตเวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiC ขนาด 4 นิ้ว/6 นิ้วได้แล้ว สำหรับเอพิแทกเซียล SiC นั้น การควบคุมในด้านแรงดันไฟฟ้าสูงนั้นทำได้ยาก และคุณภาพของเอพิแทกเซียล SiC มีผลกระทบต่ออุปกรณ์ SiC มากกว่า นอกจากนี้ อุปกรณ์เอพิแทกเซียลยังถูกผูกขาดโดยบริษัทชั้นนำสี่แห่งในอุตสาหกรรม ได้แก่ Axitron, LPE, TEL และ Nuflare

ซิลิกอนคาร์ไบด์เอพิแทกเซียลเวเฟอร์หมายถึงเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ฟิล์มผลึกเดี่ยว (ชั้นเอพิแทกเซียล) ที่มีข้อกำหนดบางประการและเหมือนกับผลึกของพื้นผิวถูกปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ดั้งเดิม การปลูกเอพิแทกเซียลส่วนใหญ่ใช้อุปกรณ์ CVD (Chemical Vapor Deposition, ) หรืออุปกรณ์ MBE (Molecular Beam Epitaxy) เนื่องจากอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ผลิตขึ้นโดยตรงในชั้นเอพิแทกเซียล คุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลจึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและผลผลิตของอุปกรณ์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าทนต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลที่เกี่ยวข้องจะหนาขึ้นและควบคุมได้ยากขึ้น โดยทั่วไป เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 600V ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลที่ต้องการจะอยู่ที่ประมาณ 6 ไมครอน เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 1,200-1,700V ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลที่ต้องการจะอยู่ที่ 10-15 ไมครอน หากแรงดันไฟฟ้าเกิน 10,000 โวลต์ อาจต้องใช้ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลมากกว่า 100 ไมครอน เมื่อความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การควบคุมความหนา ความสม่ำเสมอของค่าความต้านทาน และความหนาแน่นของข้อบกพร่องจึงกลายเป็นเรื่องยากเพิ่มมากขึ้น

อุปกรณ์ SiC: ในระดับสากล SBD และ MOSFET SiC 600~1700V ได้ถูกนำไปใช้ในเชิงอุตสาหกรรม ผลิตภัณฑ์หลักทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 1200V และใช้บรรจุภัณฑ์ TO เป็นหลัก ในแง่ของราคา ผลิตภัณฑ์ SiC ในตลาดต่างประเทศมีราคาสูงกว่าผลิตภัณฑ์ Si ประมาณ 5-6 เท่า อย่างไรก็ตาม ราคากำลังลดลงในอัตราต่อปี 10% ด้วยการขยายตัวของวัสดุต้นน้ำและการผลิตอุปกรณ์ในอีก 2-3 ปีข้างหน้า อุปทานในตลาดจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ราคาลดลงอีก คาดว่าเมื่อราคาเพิ่มขึ้นถึง 2-3 เท่าของผลิตภัณฑ์ SiC ข้อดีที่เกิดจากต้นทุนระบบที่ลดลงและประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้นจะค่อยๆ ผลักดันให้ SiC เข้ามาครอบครองพื้นที่ตลาดของอุปกรณ์ Si
บรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมนั้นใช้วัสดุซับสเตรตที่ทำจากซิลิกอนเป็นฐาน ในขณะที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามนั้นต้องใช้การออกแบบใหม่ทั้งหมด การใช้โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ที่ทำจากซิลิกอนเป็นฐานสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟแบบแบนด์แก็ปกว้างอาจทำให้เกิดปัญหาและความท้าทายใหม่ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความถี่ การจัดการความร้อน และความน่าเชื่อถือ อุปกรณ์จ่ายไฟ SiC นั้นไวต่อความจุและเหนี่ยวนำมากกว่า เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ SiC แล้ว ชิปจ่ายไฟ SiC จะมีความเร็วในการสลับที่เร็วกว่า ซึ่งอาจทำให้เกิดการโอเวอร์ชูต การสั่น การสูญเสียการสลับที่เพิ่มขึ้น และแม้แต่อุปกรณ์ทำงานผิดปกติ นอกจากนี้ อุปกรณ์จ่ายไฟ SiC ยังทำงานที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น ซึ่งต้องใช้เทคนิคการจัดการความร้อนขั้นสูงกว่า

โครงสร้างที่แตกต่างกันมากมายได้รับการพัฒนาในสาขาของการบรรจุพลังงานเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แก็ปกว้าง การบรรจุโมดูลพลังงานแบบ SiC แบบดั้งเดิมไม่เหมาะสมอีกต่อไป เพื่อแก้ปัญหาพารามิเตอร์ปรสิตที่สูงและประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ไม่ดีของการบรรจุโมดูลพลังงานแบบ SiC แบบดั้งเดิม การบรรจุโมดูลพลังงาน SiC จึงนำเทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบไร้สายและการระบายความร้อนสองด้านมาใช้ในโครงสร้าง และยังนำวัสดุพื้นผิวที่มีการนำความร้อนที่ดีกว่ามาใช้ และพยายามรวมตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน เซ็นเซอร์อุณหภูมิ/กระแส และวงจรขับเคลื่อนเข้าไปในโครงสร้างโมดูล และพัฒนาเทคโนโลยีการบรรจุโมดูลที่แตกต่างกันมากมาย นอกจากนี้ ยังมีอุปสรรคทางเทคนิคสูงในการผลิตอุปกรณ์ SiC และต้นทุนการผลิตก็สูง

อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ผลิตขึ้นโดยการเคลือบชั้นเอพิแทกเซียลบนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ผ่าน CVD กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการทำความสะอาด ออกซิเดชัน โฟโตลิโทกราฟี การกัด การลอกโฟโตเรซิสต์ การฝังไอออน การสะสมไอเคมีของซิลิกอนไนไตรด์ การขัด การสปัตเตอร์ และขั้นตอนการประมวลผลที่ตามมาเพื่อสร้างโครงสร้างอุปกรณ์บนพื้นผิวผลึกเดี่ยว SiC อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า SiC ประเภทหลัก ได้แก่ ไดโอด SiC ทรานซิสเตอร์ SiC และโมดูลกำลังไฟฟ้า SiC เนื่องด้วยปัจจัยต่างๆ เช่น ความเร็วในการผลิตวัสดุต้นน้ำที่ช้าและอัตราผลผลิตที่ต่ำ อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์จึงมีต้นทุนการผลิตที่ค่อนข้างสูง

นอกจากนี้ การผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ยังมีปัญหาทางเทคนิคบางประการ:

1) จำเป็นต้องพัฒนากระบวนการเฉพาะที่สอดคล้องกับลักษณะเฉพาะของวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ ตัวอย่างเช่น SiC มีจุดหลอมเหลวสูง ซึ่งทำให้การแพร่กระจายความร้อนแบบเดิมไม่มีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องใช้วิธีการฝังไอออนและควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ อย่างแม่นยำ เช่น อุณหภูมิ อัตราความร้อน ระยะเวลา และอัตราการไหลของก๊าซ SiC ไม่ทำปฏิกิริยากับตัวทำละลายทางเคมี ควรใช้วิธีการต่างๆ เช่น การกัดแห้ง และควรปรับให้เหมาะสมและพัฒนาวัสดุมาส์ก ส่วนผสมของก๊าซ การควบคุมความลาดเอียงของผนังด้านข้าง อัตราการกัดกร่อน ความหยาบของผนังด้านข้าง ฯลฯ
2) การผลิตอิเล็กโทรดโลหะบนเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ต้องใช้ค่าความต้านทานการสัมผัสต่ำกว่า 10-5Ω2 วัสดุอิเล็กโทรดที่ตรงตามข้อกำหนด ได้แก่ Ni และ Al มีเสถียรภาพทางความร้อนต่ำเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 100°C แต่ Al/Ni มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่า ค่าความต้านทานเฉพาะการสัมผัสของวัสดุอิเล็กโทรดคอมโพสิต /W/Au สูงกว่า 10-3Ω2
3) SiC มีการสึกกร่อนสูงในการตัด และความแข็งของ SiC อยู่รองเพียงเพชรเท่านั้น ซึ่งทำให้มีข้อกำหนดที่สูงกว่าสำหรับการตัด การเจียร การขัด และเทคโนโลยีอื่นๆ

นอกจากนี้ อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์แบบร่องลึกยังผลิตได้ยากกว่า ตามโครงสร้างอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถแบ่งได้เป็นอุปกรณ์แบบระนาบและอุปกรณ์แบบร่องลึก อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์แบบระนาบมีความสม่ำเสมอของหน่วยที่ดีและกระบวนการผลิตที่เรียบง่าย แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดผล JFET และมีความจุปรสิตและความต้านทานสถานะเปิดสูง เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์แบบระนาบ อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์แบบร่องลึกมีความสม่ำเสมอของหน่วยที่ต่ำกว่าและมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนกว่า อย่างไรก็ตาม โครงสร้างร่องลึกเอื้อต่อการเพิ่มความหนาแน่นของหน่วยอุปกรณ์และมีโอกาสสร้างผล JFET น้อยลง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการแก้ปัญหาการเคลื่อนตัวของช่องสัญญาณ มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความต้านทานการเปิดต่ำ ความจุปรสิตต่ำ และการใช้พลังงานสลับต่ำ มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนและประสิทธิภาพที่สำคัญ และกลายเป็นแนวทางหลักของการพัฒนาอุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์ ตามเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ Rohm โครงสร้าง ROHM Gen3 (โครงสร้าง Gen1 Trench) มีพื้นที่ชิปเพียง 75% ของพื้นที่ชิป Gen2 (Plannar2) และความต้านทานต่อการเปิดของโครงสร้าง ROHM Gen3 ลดลง 50% ภายใต้ขนาดชิปเดียวกัน

ค่าใช้จ่ายด้านซับสเตรตซิลิกอนคาร์ไบด์, เอพิแทกซี, ค่าใช้จ่ายเบื้องต้น, การวิจัยและพัฒนา และอื่นๆ คิดเป็น 47%, 23%, 19%, 6% และ 5% ของต้นทุนการผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ตามลำดับ

ในที่สุดเราจะมุ่งเน้นไปที่การทำลายอุปสรรคทางเทคนิคของสารตั้งต้นในห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิกอนคาร์ไบด์

กระบวนการผลิตพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการผลิตพื้นผิวที่ใช้ซิลิกอน แต่มีความยากกว่า
กระบวนการผลิตพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์โดยทั่วไปประกอบไปด้วยการสังเคราะห์วัตถุดิบ การเจริญเติบโตของผลึก การประมวลผลแท่ง การตัดแท่ง การบดเวเฟอร์ การขัด การทำความสะอาด และอื่นๆ
ระยะการเจริญเติบโตของผลึกเป็นแกนหลักของกระบวนการทั้งหมด และขั้นตอนนี้จะกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์

วัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นยากที่จะเติบโตในเฟสของเหลวภายใต้สภาวะปกติ วิธีการเติบโตในเฟสไอที่นิยมในตลาดปัจจุบันมีอุณหภูมิการเติบโตสูงกว่า 2,300°C และต้องควบคุมอุณหภูมิการเติบโตอย่างแม่นยำ กระบวนการทำงานทั้งหมดแทบจะสังเกตได้ยาก ข้อผิดพลาดเล็กน้อยจะนำไปสู่การทิ้งผลิตภัณฑ์ เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว วัสดุซิลิกอนต้องการเพียง 1,600℃ ซึ่งต่ำกว่ามาก การเตรียมพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ยังเผชิญกับความยากลำบาก เช่น การเติบโตผลึกที่ช้าและความต้องการรูปแบบผลึกสูง การเติบโตเวเฟอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ใช้เวลาประมาณ 7 ถึง 10 วัน ในขณะที่การดึงแท่งซิลิกอนใช้เวลาเพียง 2 วันครึ่ง นอกจากนี้ ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุที่มีความแข็งรองจากเพชรเท่านั้น จะสูญเสียไปมากระหว่างการตัด การเจียร และการขัด และอัตราส่วนผลลัพธ์อยู่ที่เพียง 60%

เราทราบดีว่าแนวโน้มคือการเพิ่มขนาดของซับสเตรตซิลิกอนคาร์ไบด์ เมื่อขนาดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความต้องการเทคโนโลยีการขยายเส้นผ่านศูนย์กลางก็จะยิ่งสูงขึ้นเรื่อยๆ ต้องใช้องค์ประกอบการควบคุมทางเทคนิคต่างๆ ร่วมกันเพื่อให้เกิดการเติบโตของผลึกแบบวนซ้ำ