อุปสรรคทางเทคนิคของซิลิคอนคาร์ไบด์มีอะไรบ้าง? Ⅱ

อุปสรรคทางเทคนิคในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์คุณภาพสูงจำนวนมากอย่างมีเสถียรภาพและประสิทธิภาพการทำงานที่คงที่ ได้แก่:

1) เนื่องจากผลึกต้องเจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิทและมีอุณหภูมิสูงกว่า 2000°C ดังนั้นข้อกำหนดด้านการควบคุมอุณหภูมิจึงสูงมาก
2) เนื่องจากซิลิคอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างผลึกมากกว่า 200 แบบ แต่มีเพียงไม่กี่โครงสร้างของซิลิคอนคาร์ไบด์ผลึกเดี่ยวเท่านั้นที่เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการ ดังนั้นอัตราส่วนซิลิคอนต่อคาร์บอน การไล่ระดับอุณหภูมิการเติบโต และการเติบโตของผลึกจึงจำเป็นต้องได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำในระหว่างกระบวนการเติบโตของผลึก พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความเร็วและความดันการไหลของอากาศ
3) ภายใต้วิธีการส่งผ่านเฟสไอ เทคโนโลยีการขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นทำได้ยากมาก
4) ความแข็งของซิลิคอนคาร์ไบด์ใกล้เคียงกับเพชร และเทคนิคการตัด การเจียร และการขัดเงาทำได้ยาก

แผ่นเวเฟอร์ SiC แบบเอพิแท็กเซียล: โดยทั่วไปผลิตโดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) แบ่งตามชนิดของสารเจือปนเป็นเวเฟอร์เอพิแท็กเซียลชนิด n และชนิด p บริษัท Hantian Tiancheng และ Dongguan Tianyu ในประเทศจีนสามารถจัดหาเวเฟอร์ SiC แบบเอพิแท็กเซียลขนาด 4 นิ้ว/6 นิ้วได้แล้ว สำหรับการผลิต SiC แบบเอพิแท็กเซียลนั้น การควบคุมในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงทำได้ยาก และคุณภาพของ SiC แบบเอพิแท็กเซียลมีผลกระทบอย่างมากต่ออุปกรณ์ SiC ยิ่งไปกว่านั้น อุปกรณ์เอพิแท็กเซียลยังถูกผูกขาดโดยบริษัทชั้นนำสี่แห่งในอุตสาหกรรม ได้แก่ Axitron, LPE, TEL และ Nuflare

ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียลเวเฟอร์ หมายถึง เวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีฟิล์มผลึกเดี่ยว (ชั้นเอพิแท็กเซียล) ที่มีคุณสมบัติตามข้อกำหนดบางประการและเหมือนกับผลึกของพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์เดิม การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลส่วนใหญ่ใช้เครื่องมือ CVD (Chemical Vapor Deposition) หรือเครื่องมือ MBE (Molecular Beam Epitaxy) เนื่องจากอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ผลิตขึ้นโดยตรงในชั้นเอพิแท็กเซียล คุณภาพของชั้นเอพิแท็กเซียลจึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและผลผลิตของอุปกรณ์ เมื่อความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์เพิ่มขึ้น ความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลที่สอดคล้องกันก็จะหนาขึ้นและการควบคุมก็จะยากขึ้น โดยทั่วไป เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 600 โวลต์ ความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลที่ต้องการจะอยู่ที่ประมาณ 6 ไมครอน เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง 1200-1700 โวลต์ ความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลที่ต้องการจะอยู่ที่ 10-15 ไมครอน หากแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 10,000 โวลต์ อาจต้องใช้ความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลมากกว่า 100 ไมครอน เมื่อความหนาของชั้นเอพิแท็กเซียลเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ การควบคุมความหนา ความสม่ำเสมอของความต้านทาน และความหนาแน่นของข้อบกพร่องก็จะยิ่งยากขึ้น

อุปกรณ์ SiC: ในระดับสากล อุปกรณ์ SiC SBD และ MOSFET ที่มีแรงดันไฟฟ้า 600~1700V ได้ถูกนำไปผลิตในเชิงอุตสาหกรรมแล้ว ผลิตภัณฑ์หลักทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 1200V และส่วนใหญ่ใช้บรรจุภัณฑ์แบบ TO ในแง่ของราคา ผลิตภัณฑ์ SiC ในตลาดต่างประเทศมีราคาสูงกว่าผลิตภัณฑ์ Si ประมาณ 5-6 เท่า อย่างไรก็ตาม ราคาลดลงในอัตราปีละ 10% ด้วยการขยายตัวของวัตถุดิบต้นน้ำและการผลิตอุปกรณ์ในอีก 2-3 ปีข้างหน้า อุปทานในตลาดจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ราคาลดลงอีก คาดว่าเมื่อราคาลดลงเหลือ 2-3 เท่าของผลิตภัณฑ์ Si ข้อดีที่เกิดจากต้นทุนระบบที่ลดลงและประสิทธิภาพที่ดีขึ้นจะค่อยๆ ผลักดันให้ SiC เข้ามาครองส่วนแบ่งตลาดของอุปกรณ์ Si
บรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมใช้สารตั้งต้นที่เป็นซิลิคอน ในขณะที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามต้องการการออกแบบใหม่ทั้งหมด การใช้โครงสร้างบรรจุภัณฑ์แบบซิลิคอนแบบดั้งเดิมสำหรับอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่มีแบนด์แก็ปกว้างอาจก่อให้เกิดปัญหาและความท้าทายใหม่ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความถี่ การจัดการความร้อน และความน่าเชื่อถือ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า SiC มีความไวต่อความจุและเหนี่ยวนำปรสิตมากกว่า เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ Si ชิปกำลังไฟฟ้า SiC มีความเร็วในการสวิตช์ที่เร็วกว่า ซึ่งอาจนำไปสู่การโอเวอร์ชูต การสั่น การสูญเสียการสวิตช์ที่เพิ่มขึ้น และแม้กระทั่งการทำงานผิดปกติของอุปกรณ์ นอกจากนี้ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า SiC ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า จึงต้องการเทคนิคการจัดการความร้อนขั้นสูงกว่า

ในด้านบรรจุภัณฑ์พลังงานเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แกปกว้าง ได้มีการพัฒนาโครงสร้างที่หลากหลายขึ้นมา บรรจุภัณฑ์โมดูลพลังงานแบบซิลิคอนดั้งเดิมนั้นไม่เหมาะสมอีกต่อไป เพื่อแก้ปัญหาพารามิเตอร์ปรสิตสูงและประสิทธิภาพการระบายความร้อนต่ำของบรรจุภัณฑ์โมดูลพลังงานแบบซิลิคอนดั้งเดิม บรรจุภัณฑ์โมดูลพลังงาน SiC จึงใช้เทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบไร้สายและการระบายความร้อนสองด้านในโครงสร้าง รวมถึงเลือกใช้วัสดุพื้นผิวที่มีค่าการนำความร้อนที่ดีกว่า และพยายามรวมตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน เซ็นเซอร์อุณหภูมิ/กระแส และวงจรขับเข้าไว้ในโครงสร้างโมดูล จึงได้พัฒนาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์โมดูลที่หลากหลายขึ้นมา อย่างไรก็ตาม อุปสรรคทางเทคนิคในการผลิตอุปกรณ์ SiC ยังมีสูง และต้นทุนการผลิตก็สูงเช่นกัน

อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ผลิตขึ้นโดยการตกตะกอนชั้นเอพิแทกเซียลบนพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ผ่านกระบวนการ CVD กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการทำความสะอาด การออกซิเดชัน โฟโตลิโทกราฟี การกัด การลอกโฟโตเรซิสต์ การฝังไอออน การตกตะกอนไอสารเคมีของซิลิคอนไนไตรด์ การขัดเงา การสปัตเตอร์ และขั้นตอนการประมวลผลต่อเนื่องเพื่อสร้างโครงสร้างอุปกรณ์บนพื้นผิวผลึกเดี่ยว SiC ประเภทหลักของอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC ได้แก่ ไดโอด SiC ทรานซิสเตอร์ SiC และโมดูลกำลัง SiC เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ความเร็วในการผลิตวัสดุต้นน้ำที่ช้าและอัตราผลผลิตต่ำ อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงมีต้นทุนการผลิตค่อนข้างสูง

นอกจากนี้ การผลิตอุปกรณ์ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ยังมีปัญหาทางเทคนิคบางประการ:

1) จำเป็นต้องพัฒนากระบวนการเฉพาะที่สอดคล้องกับคุณลักษณะของวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์ ตัวอย่างเช่น SiC มีจุดหลอมเหลวสูง ทำให้การแพร่กระจายความร้อนแบบดั้งเดิมไม่ได้ผล จำเป็นต้องใช้วิธีการโดปด้วยการฝังไอออนและควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ อย่างแม่นยำ เช่น อุณหภูมิ อัตราการให้ความร้อน ระยะเวลา และการไหลของก๊าซ SiC เฉื่อยต่อตัวทำละลายทางเคมี ควรใช้วิธีการต่างๆ เช่น การกัดแบบแห้ง และควรปรับปรุงและพัฒนาวัสดุปิดบัง ส่วนผสมของก๊าซ การควบคุมความลาดชันของผนังด้านข้าง อัตราการกัด ความหยาบของผนังด้านข้าง ฯลฯ
2) การผลิตอิเล็กโทรดโลหะบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ต้องการความต้านทานการสัมผัสต่ำกว่า 10-5Ω2 วัสดุอิเล็กโทรดที่ตรงตามข้อกำหนด ได้แก่ นิกเกลและอะลูมิเนียม ซึ่งมีเสถียรภาพทางความร้อนต่ำที่อุณหภูมิสูงกว่า 100°C แต่โลหะผสมอะลูมิเนียม/นิกเกลมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่า ความต้านทานจำเพาะของการสัมผัสของวัสดุอิเล็กโทรดคอมโพสิต /W/Au สูงกว่า 10-3Ω2
3) ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีความทนทานต่อการสึกหรอสูง และความแข็งของ SiC เป็นรองเพียงเพชรเท่านั้น ซึ่งทำให้ต้องใช้เทคโนโลยีการตัด การเจียร การขัดเงา และเทคโนโลยีอื่นๆ ที่มีความต้องการสูงกว่า

นอกจากนี้ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์แบบร่องยังผลิตได้ยากกว่า โดยแบ่งตามโครงสร้างของอุปกรณ์ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถแบ่งออกเป็นอุปกรณ์แบบระนาบและอุปกรณ์แบบร่องได้ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์แบบระนาบมีความสม่ำเสมอของหน่วยที่ดีและกระบวนการผลิตที่ง่าย แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดปรากฏการณ์ JFET และมีค่าความจุปรสิตและความต้านทานขณะเปิดสูง เมื่อเทียบกับอุปกรณ์แบบระนาบ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์แบบร่องมีความสม่ำเสมอของหน่วยต่ำกว่าและมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนกว่า อย่างไรก็ตาม โครงสร้างแบบร่องเอื้อต่อการเพิ่มความหนาแน่นของหน่วยอุปกรณ์และมีโอกาสน้อยที่จะเกิดปรากฏการณ์ JFET ซึ่งเป็นประโยชน์ในการแก้ปัญหาเรื่องความคล่องตัวของช่องสัญญาณ มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความต้านทานขณะเปิดต่ำ ค่าความจุปรสิตต่ำ และการใช้พลังงานในการสวิตช์ต่ำ มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนและประสิทธิภาพอย่างมาก และได้กลายเป็นทิศทางหลักของการพัฒนาอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์ จากข้อมูลในเว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ Rohm โครงสร้าง ROHM Gen3 (โครงสร้าง Gen1 Trench) มีพื้นที่ชิปเพียง 75% ของ Gen2 (Plannar2) และความต้านทานขณะเปิดของโครงสร้าง ROHM Gen3 ลดลง 50% ภายใต้ขนาดชิปที่เท่ากัน

ค่าใช้จ่ายต่างๆ เช่น วัสดุตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์ การปลูกผลึก การพัฒนาขั้นต้น การวิจัยและพัฒนา และอื่นๆ คิดเป็น 47%, 23%, 19%, 6% และ 5% ของต้นทุนการผลิตอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ตามลำดับ

สุดท้ายนี้ เราจะมุ่งเน้นไปที่การทำลายอุปสรรคทางเทคนิคของวัสดุตั้งต้นในห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิคอนคาร์ไบด์

กระบวนการผลิตแผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์คล้ายคลึงกับกระบวนการผลิตแผ่นรองพื้นซิลิคอน แต่มีความยากกว่า
กระบวนการผลิตแผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์โดยทั่วไปประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆ เช่น การสังเคราะห์วัตถุดิบ การเจริญเติบโตของผลึก การแปรรูปแท่งโลหะ การตัดแท่งโลหะ การเจียรแผ่นเวเฟอร์ การขัดเงา การทำความสะอาด และขั้นตอนอื่นๆ
ขั้นตอนการเจริญเติบโตของผลึกเป็นหัวใจสำคัญของกระบวนการทั้งหมด และขั้นตอนนี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุพื้นฐานซิลิคอนคาร์ไบด์

วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นยากที่จะเจริญเติบโตในสถานะของเหลวภายใต้สภาวะปกติ วิธีการเจริญเติบโตในสถานะไอซึ่งเป็นที่นิยมในตลาดปัจจุบันมีอุณหภูมิการเจริญเติบโตสูงกว่า 2300°C และต้องควบคุมอุณหภูมิการเจริญเติบโตอย่างแม่นยำ กระบวนการทำงานทั้งหมดแทบจะสังเกตได้ยาก ความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้ผลิตภัณฑ์เสียหายได้ ในทางตรงกันข้าม วัสดุซิลิคอนต้องการอุณหภูมิเพียง 1600℃ ซึ่งต่ำกว่ามาก การเตรียมพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ก็ประสบปัญหาเช่นกัน เช่น การเจริญเติบโตของผลึกช้าและความต้องการรูปทรงผลึกสูง การเจริญเติบโตของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ใช้เวลาประมาณ 7 ถึง 10 วัน ในขณะที่การดึงแท่งซิลิคอนใช้เวลาเพียง 2 วันครึ่ง นอกจากนี้ ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุที่มีความแข็งเป็นรองเพียงเพชรเท่านั้น มันจะสูญเสียไปมากในระหว่างการตัด การเจียร และการขัดเงา และอัตราผลผลิตอยู่ที่เพียง 60% เท่านั้น

เราทราบดีว่าแนวโน้มคือการเพิ่มขนาดของแผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์ และเมื่อขนาดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ความต้องการเทคโนโลยีการขยายเส้นผ่านศูนย์กลางก็จะสูงขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งต้องอาศัยการผสมผสานองค์ประกอบควบคุมทางเทคนิคต่างๆ เพื่อให้เกิดการเติบโตของผลึกอย่างต่อเนื่อง