บทนำพื้นฐานของกระบวนการเติบโตแบบ Epitaxis ของ SiC

ชั้นอีพิโทแอกเซียลเป็นฟิล์มผลึกเดี่ยวเฉพาะที่เติบโตบนเวเฟอร์โดยกระบวนการอีพิแอกเซียล และเวเฟอร์ซับสเตรตและฟิล์มเอปิแอกเซียลเรียกว่าเวเฟอร์เอปิแอกเชียลด้วยการเพิ่มชั้นอีพิเทกเซียลของซิลิคอนคาร์ไบด์บนซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ทำให้สามารถเตรียมเวเฟอร์เอพิแทกเซียลที่เป็นเนื้อเดียวกันของซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นไดโอด Schottky, MOSFET, IGBT และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ซึ่งในจำนวนนี้ 4H-SiC เป็นซับสเตรตที่ใช้กันมากที่สุด

เนื่องจากกระบวนการผลิตที่แตกต่างกันของอุปกรณ์พลังงานซิลิกอนคาร์ไบด์และอุปกรณ์พลังงานซิลิกอนแบบดั้งเดิม จึงไม่สามารถประดิษฐ์โดยตรงบนวัสดุผลึกเดี่ยวซิลิกอนคาร์ไบด์วัสดุอีพิแทกเซียลคุณภาพสูงเพิ่มเติมจะต้องปลูกไว้บนซับสเตรตผลึกเดี่ยวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และจะต้องผลิตอุปกรณ์ต่างๆ บนชั้นเอพิแทกเซียลดังนั้นคุณภาพของชั้น epitaxis จึงมีอิทธิพลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์การปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์จ่ายไฟต่างๆ ยังทำให้มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล ความเข้มข้นของสารต้องห้าม และข้อบกพร่อง

รูปที่.1. ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารต้องห้ามและความหนาของชั้น epitaxis ของอุปกรณ์ Unipolar และแรงดันบล็อก

วิธีการเตรียมชั้นเยื่อบุผิว SIC ส่วนใหญ่ประกอบด้วยวิธีการเจริญเติบโตด้วยการระเหย การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวเฟสของเหลว (LPE) การเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวลำแสงโมเลกุล (MBE) และการสะสมไอสารเคมี (CVD)ปัจจุบันการสะสมไอสารเคมี (CVD) เป็นวิธีการหลักที่ใช้ในการผลิตขนาดใหญ่ในโรงงาน

รูปที่.2. การเปรียบเทียบวิธีการเตรียมหลักของชั้นเยื่อบุผิว

บนวัสดุพิมพ์นอกแกน {0001} ที่มีมุมเอียงตามที่แสดงในรูปที่ 2 (b) ความหนาแน่นของพื้นผิวขั้นตอนมีขนาดใหญ่ขึ้น และขนาดของพื้นผิวขั้นตอนมีขนาดเล็กลง และการเกิดนิวเคลียสของคริสตัลไม่ใช่เรื่องง่าย เกิดขึ้นบนพื้นผิวขั้นบันได แต่มักเกิดขึ้นที่จุดรวมของขั้นบันไดในกรณีนี้จะมีคีย์นิวเคลียสเพียงคีย์เดียวเท่านั้นดังนั้นชั้น epitaxis จึงสามารถจำลองลำดับการซ้อนของสารตั้งต้นได้อย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการอยู่ร่วมกันหลายประเภท

รูปที่.3. แผนภาพกระบวนการทางกายภาพของวิธีการควบคุมขั้นตอน 4H-SiC

รูปที่.4. สภาวะวิกฤตสำหรับการเจริญเติบโตของ CVD โดยวิธี epitaxy แบบควบคุมขั้นตอนแบบ 4H-SiC

รูปที่.5. การเปรียบเทียบอัตราการเติบโตภายใต้แหล่งซิลิคอนต่างๆ ใน ​​epitaxy 4H-SiC

ปัจจุบัน เทคโนโลยี epitaxy ของซิลิคอนคาร์ไบด์ค่อนข้างสมบูรณ์ในการใช้งานแรงดันไฟฟ้าต่ำและปานกลาง (เช่น อุปกรณ์ 1200 โวลต์)ความสม่ำเสมอของความหนา ความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของยาสลบ และการกระจายข้อบกพร่องของชั้น epitaxis สามารถเข้าถึงระดับที่ค่อนข้างดี ซึ่งโดยทั่วไปสามารถตอบสนองความต้องการของ SBD แรงดันกลางและต่ำ (ไดโอด Schottky), MOS (ทรานซิสเตอร์สนามผลเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์), JBS ( ไดโอดแยก) และอุปกรณ์อื่นๆ

อย่างไรก็ตาม ในด้านแรงดันสูง เอพิเทเชียลเวเฟอร์ยังคงจำเป็นต้องเอาชนะความท้าทายมากมายตัวอย่างเช่น สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้า 10,000 โวลต์ ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลจะต้องอยู่ที่ประมาณ 100μmเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์แรงดันต่ำ ความหนาของชั้น epitaxis และความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของยาสลบนั้นแตกต่างกันมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสม่ำเสมอของความเข้มข้นของยาสลบในเวลาเดียวกัน ข้อบกพร่องรูปสามเหลี่ยมในชั้น epitaxis จะทำลายประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์ด้วยในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูง ประเภทอุปกรณ์มักจะใช้อุปกรณ์ไบโพลาร์ ซึ่งต้องมีอายุการใช้งานส่วนน้อยในชั้นเอพิแทกเซียลสูง ดังนั้นจึงต้องปรับกระบวนการให้เหมาะสมเพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานส่วนน้อย

ปัจจุบัน epitaxy ในประเทศส่วนใหญ่มีขนาด 4 นิ้วและ 6 นิ้ว และสัดส่วนของ epitaxy ซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาดใหญ่เพิ่มขึ้นทุกปีขนาดของแผ่น epitaxial ของซิลิกอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่ถูกจำกัดด้วยขนาดของสารตั้งต้นของซิลิกอนคาร์ไบด์ปัจจุบัน สารตั้งต้นซิลิกอนคาร์ไบด์ขนาด 6 นิ้วได้ถูกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ดังนั้น epitaxis ของซิลิกอนคาร์ไบด์จึงค่อยๆ เปลี่ยนจาก 4 นิ้วเป็น 6 นิ้วด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์และการขยายกำลังการผลิต ราคาของพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์จึงค่อยๆลดลงในองค์ประกอบของราคาแผ่น epitaxis พื้นผิวคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50% ของต้นทุน ดังนั้นเมื่อราคาพื้นผิวลดลง ราคาของแผ่น epitaxis ของซิลิกอนคาร์ไบด์ก็คาดว่าจะลดลงเช่นกัน