คำนำ

ห่วงโซ่อุตสาหกรรมซิลิคอนคาร์ไบด์ประกอบด้วยผงซิลิคอนคาร์ไบด์ แท่งซิลิคอนคาร์ไบด์ แผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์ การปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ ชิปซิลิคอนคาร์ไบด์ และบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ ในบรรดาขั้นตอนเหล่านี้ แผ่นรองพื้น แผ่นเวเฟอร์สำหรับการปลูกผลึก แผ่นเวเฟอร์ และบรรจุภัณฑ์และการทดสอบอุปกรณ์ เป็นสี่ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในห่วงโซ่คุณค่าของซิลิคอนคาร์ไบด์ ต้นทุนของแผ่นรองพื้นคิดเป็น 50% ของต้นทุนรวมของอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ และต้นทุนของการปลูกผลึก เวเฟอร์ และการทดสอบบรรจุภัณฑ์คิดเป็น 25%, 20% และ 5% ตามลำดับ ความน่าเชื่อถือของวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย บริษัทเบสิกเซมิคอนดักเตอร์สำรวจคุณสมบัติของวัสดุและสาเหตุของข้อบกพร่องจากทุกแง่มุมของห่วงโซ่อุตสาหกรรม และร่วมมือกับบริษัทต้นน้ำและปลายน้ำเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์

01

วิธีการเจริญเติบโตและการเตรียมแท่งซิลิคอนคาร์ไบด์

ซิลิคอนคาร์ไบด์มีไอโซเมอร์มากกว่า 250 ชนิด และชนิดหลักที่ใช้ในการผลิตสารกึ่งตัวนำกำลังคือโครงสร้างผลึกเดี่ยว 4H-SiC ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์ ช่วงการเจริญเติบโตของผลึก 4H นั้นแคบ และมีมาตรฐานที่เข้มงวดสำหรับการออกแบบอุณหภูมิและความดัน การควบคุมที่ไม่แม่นยำในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตจะส่งผลให้ได้ผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีโครงสร้างอื่น ๆ เช่น 2H, 3C, 6H และ 15R

รูปที่ 1 สภาวะที่เอื้อต่อการเกิดไอโซเมอร์ของซิลิคอนคาร์ไบด์ชนิดต่างๆ

ในอุตสาหกรรม มีวิธีการเตรียมแท่งผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์อยู่ 3 วิธี ได้แก่ การระเหิดแบบ PVT, HT-CVD และ LPE (วิธีเจริญเติบโตจากสารละลาย) ในบรรดาวิธีเหล่านี้ การระเหิดแบบ PVT เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน ประมาณ 95% ของแท่งซิลิคอนคาร์ไบด์เชิงพาณิชย์ผลิตจากวิธี PVT กระบวนการคือการใส่ผงซิลิคอนคาร์ไบด์ลงในอุปกรณ์พิเศษแล้วให้ความร้อน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 2200-2500°C ผงจะเริ่มระเหิด เนื่องจากซิลิคอนคาร์ไบด์ไม่มีสถานะของเหลว มีเพียงสถานะก๊าซและของแข็งเท่านั้น แท่งผลึกจะตกผลึกอยู่ด้านบนหลังจากระเหิด อัตราการเติบโตของผลึกเดี่ยวซิลิคอนอยู่ที่ประมาณ 300 มม./ชม. และอัตราการเติบโตของผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์อยู่ที่ประมาณ 400 ไมโครเมตร/ชม. ความแตกต่างระหว่างทั้งสองเกือบ 800 เท่า ตัวอย่างเช่น การสร้างแท่งขนาด 5-6 เซนติเมตร ต้องใช้เวลาการเติบโตอย่างต่อเนื่องและคงที่ประมาณ 200-300 ชั่วโมง จะเห็นได้ว่าอัตราการผลิตแท่งซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นช้ามาก ซึ่งทำให้แท่งซิลิคอนคาร์ไบด์มีราคาแพง

02

ข้อบกพร่องของแท่งผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์และแผ่นเวเฟอร์พื้นฐาน

ทั้งแท่งซิลิคอนคาร์ไบด์และแผ่นเวเฟอร์รองรับต่างก็มีข้อบกพร่องทางผลึกหลายชนิด เช่น ข้อบกพร่องในการเรียงตัวของอะตอม (stacking faults), ไมโครทิวบูล (microtubules), การเคลื่อนตัวแบบเกลียวทะลุ (through screw dislocations), การเคลื่อนตัวแบบขอบทะลุ (through edge dislocations), การเคลื่อนตัวแบบระนาบฐาน (basal plane dislocations) เป็นต้น ข้อบกพร่องในแท่งซิลิคอนคาร์ไบด์จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อผลผลิตของอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย นี่เป็นหัวข้อที่สำคัญมากในห่วงโซ่อุตสาหกรรม ผู้ผลิตแผ่นเวเฟอร์รองรับทุกรายต่างพยายามอย่างเต็มที่เพื่อลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องในแท่งซิลิคอนคาร์ไบด์

03

ความน่าเชื่อถือของพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์

แผ่นซับสเตรตเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการตัดแท่งผลึกออกเป็นแผ่นบางๆ แล้วทำการขัดและทำให้เรียบ แผ่นเวเฟอร์ซับสเตรตจะมีคุณภาพพื้นผิวที่ดีหลังจากกระบวนการขัดเงา ซึ่งสามารถยับยั้งการเกิดข้อบกพร่องระหว่างการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล ทำให้ได้เวเฟอร์เอพิแท็กเซียลคุณภาพสูง คุณภาพพื้นผิวของแผ่นซับสเตรตนั้นรวมถึงความเรียบ ความคลาดเคลื่อนใกล้พื้นผิว และความเค้นตกค้าง เพื่อยับยั้งการเกิดข้อบกพร่องในช่วงเริ่มต้นของการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล พื้นผิวของซับสเตรตจะต้องปราศจากความเค้นและปราศจากความคลาดเคลื่อนใกล้พื้นผิว หากความเสียหายตกค้างใกล้พื้นผิวไม่ถูกกำจัดออกไปอย่างเพียงพอ การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลบนซับสเตรตจะนำไปสู่การเกิดข้อบกพร่องขนาดใหญ่ ดังนั้น ระดับคุณภาพของส่วนเชื่อมต่อซับสเตรตจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อระดับคุณภาพของส่วนเชื่อมต่อการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลในภายหลัง

04

การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลและความน่าเชื่อถือของซิลิคอนคาร์ไบด์

การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซี หมายถึงการปลูกชั้นของวัสดุผลึกเดี่ยว 4H-SiC ที่เป็นเนื้อเดียวกันกับพื้นผิวบนของวัสดุรองรับ ซิลิคอนคาร์ไบด์มีไอโซเมอร์หลายชนิด เพื่อให้ได้วัสดุเอพิแท็กซีคุณภาพสูง จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีพิเศษเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของผลึกรูปแบบอื่น กระบวนการมาตรฐานในปัจจุบันคือการใช้วัสดุรองรับผลึกเดี่ยว 4H-SiC ที่ตัดเฉียง 4° และใช้เทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบควบคุมขั้น กระบวนการที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันคือวิธี CVD: อุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปคือเตาเผาเอพิแท็กซีแนวนอนแบบผนังร้อน และก๊าซตั้งต้นปฏิกิริยาที่ใช้กันทั่วไปคือไซเลน (SiH4 ₎ , มีเทน (CH4 _{) , เอทิลี น} ( _C2H4 ) เป็นต้น และใช้ไนโตรเจน (N2 ₎และไตรเมทิลอะลูมิเนียม (TMA) เป็นแหล่งของสารเจือปน ช่วงอุณหภูมิการเจริญเติบโตโดยทั่วไปคือ 1500~1650 ℃ และอัตราการเจริญเติบโตคือ 5~30 μm/ h

การเจริญเติบโตของชั้นเอพิแท็กเซียลสามารถกำจัดข้อบกพร่องบนพื้นผิวหรือใกล้พื้นผิวจำนวนมากที่เกิดขึ้นระหว่างการเจริญเติบโตของผลึกและกระบวนการผลิตเวเฟอร์ ทำให้โครงสร้างผลึกเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบและลักษณะพื้นผิวดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับพื้นผิวเดิม ชั้นเอพิแท็กเซียลที่หนา ลักษณะพื้นผิวที่ดี และความเข้มข้นของการเจือปนที่ต่ำมีความสำคัญต่อการปรับปรุงแรงดันพังทลาย เวเฟอร์เอพิแท็กเซียลดังกล่าวใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า ซึ่งสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของพารามิเตอร์และผลผลิตได้อย่างมาก

รูปที่ 2 โครงสร้างของชั้นพื้นผิวและชั้นเอพิแท็กเซียล

05

ความสัมพันธ์ระหว่างข้อบกพร่องในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียลและแผ่นเวเฟอร์พื้นผิว

ดังที่กล่าวมาข้างต้น ข้อบกพร่องในชั้นเอพิแท็กเซียลของซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นเกี่ยวข้องกับพื้นผิวรองรับและกระบวนการเจริญเติบโต ข้อบกพร่องในชั้นเอพิแท็กเซียล ได้แก่ ข้อบกพร่องด้านลักษณะพื้นผิว ข้อบกพร่องแบบท่อขนาดเล็ก การเคลื่อนตัวของอะตอม และข้อบกพร่องประเภทอื่นๆ ข้อบกพร่องด้านลักษณะพื้นผิว ได้แก่ ข้อบกพร่องแบบแครอท (ในบางกรณีเป็นแบบดาวหาง) หลุมตื้น ข้อบกพร่องแบบสามเหลี่ยม และวัตถุตกหล่น ข้อบกพร่องแบบท่อขนาดเล็กในพื้นผิวรองรับจะถูกคัดลอกไปยังชั้นเอพิแท็กเซียล ความหนาแน่นกระแสของท่อขนาดเล็กในพื้นผิวรองรับนั้นต่ำกว่า 0.1/cm² มาก^จึงแทบจะกำจัดออกไปได้ การเคลื่อนตัวของอะตอมส่วนใหญ่ในชั้นเอพิแท็กเซียลของซิลิคอนคาร์ไบด์มีต้นกำเนิดมาจากการเคลื่อนตัวของอะตอมในพื้นผิวรองรับ ซึ่งส่วนใหญ่ได้แก่ TSD, TED และ BPD ข้อบกพร่องที่เกิดจากกระบวนการเอพิแท็กเซียล เช่น การเคลื่อนตัวของอะตอมทั่วไปและข้อบกพร่องแบบแครอท เป็นปัญหาสำคัญที่ส่งผลต่อคุณภาพของเอพิแท็กเซียลของซิลิคอนคาร์ไบด์

06

ผลกระทบของข้อบกพร่องในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียลต่ออุปกรณ์ขั้นสุดท้าย

ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซีย ประมาณ 98% ของ TSD ในสารตั้งต้นจะถูกแปลงเป็น TSD และส่วนที่เหลือจะถูกแปลงเป็น Frank SFs; TED จะถูกแปลงเป็น TED 100%; ประมาณ 95% ของ BPD จะถูกแปลงเป็น TED และส่วนน้อยจะยังคงอยู่ในรูปของ BPD

รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างข้อบกพร่องของเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียลและข้อบกพร่องของเวเฟอร์พื้นผิว

โดยพื้นฐานแล้ว TSD และ TED ไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ขั้นสุดท้าย ในขณะที่ BPD สามารถทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง ดังนั้นจึงมีคนให้ความสนใจ BPD มากกว่า ข้อบกพร่องจากการเรียงซ้อน ข้อบกพร่องรูปแครอท ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยม ข้อบกพร่องจากวัตถุตกหล่น และข้อบกพร่องอื่นๆ เป็นข้อบกพร่องร้ายแรง เมื่อข้อบกพร่องเหล่านี้ปรากฏขึ้นในอุปกรณ์ อุปกรณ์จะไม่ผ่านการทดสอบ ส่งผลให้ผลผลิตลดลง อุปกรณ์ไบโพลาร์ เช่น ไตรโอดและ IGBT มีความไวต่อ BPD มากกว่า

ตารางที่ 1 ผลกระทบของข้อบกพร่องของเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลต่ออุปกรณ์ขั้นสุดท้าย

07

สองความท้าทายที่วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์ต้องเผชิญ

หนึ่งในความท้าทายสำคัญที่ขัดขวางการส่งเสริมวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์คือ ราคาที่สูงเกินไป โดยเฉพาะราคาวัสดุตั้งต้นที่สูงกว่าซิลิคอนและแซฟไฟร์มาก ปัจจุบัน ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของวัสดุตั้งต้นซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ใช้กันทั่วไปมีเพียง 4 ถึง 6 นิ้วเท่านั้น และจำเป็นต้องมีเทคโนโลยีการผลิตที่ก้าวหน้ากว่านี้เพื่อขยายขนาดและลดราคาลง 

ในทางกลับกัน ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนในซิลิคอนคาร์ไบด์อยู่ในระดับ 102²-104⁴ ซึ่งสูงกว่าซิลิคอน แกลเลียมอาร์เซไนด์ และวัสดุอื่นๆ มาก นอกจากนี้ ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังมีแรงเค้นสูง ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับพารามิเตอร์พื้นผิว การปรับปรุงคุณภาพของพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์จึงเป็นวิธีสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุเอพิแทกเซียล ผลผลิตในการเตรียมอุปกรณ์ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานของอุปกรณ์

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้พิมพ์ซ้ำจาก "Basic Semiconductor" ซึ่งสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับ หากมีการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

หมายเลขโทรศัพท์ของบริษัท: +86-0755-83044319
โทรสาร: +86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่

QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว

ที่อยู่: ห้อง 809 อาคาร C อาคารเทคโนโลยีจ้านเทา เลขที่ 1079 ถนนหมินจือ เขตหลงหัวใหม่ เมืองเซินเจิ้น