ویفرهای SICOI (کاربید سیلیکون روی عایق) فیلم SiC روی سیلیکون
نمودار تفصیلی
معرفی ویفرهای سیلیکون کاربید روی عایق (SICOI)
ویفرهای سیلیکون کاربید روی عایق (SICOI) زیرلایههای نیمههادی نسل بعدی هستند که خواص فیزیکی و الکترونیکی برتر سیلیکون کاربید (SiC) را با ویژگیهای ایزولاسیون الکتریکی برجسته یک لایه بافر عایق، مانند دیاکسید سیلیکون (SiO₂) یا نیترید سیلیکون (Si₃N₄) ادغام میکنند. یک ویفر معمولی SICOI از یک لایه نازک اپیتکسیال SiC، یک فیلم عایق میانی و یک زیرلایه پایه پشتیبان، که میتواند سیلیکون یا SiC باشد، تشکیل شده است.
این ساختار هیبریدی برای برآورده کردن نیازهای دقیق دستگاههای الکترونیکی با توان بالا، فرکانس بالا و دمای بالا مهندسی شده است. ویفرهای SICOI با ترکیب یک لایه عایق، ظرفیت خازنی پارازیتی را به حداقل رسانده و جریانهای نشتی را سرکوب میکنند و در نتیجه فرکانسهای عملیاتی بالاتر، راندمان بهتر و مدیریت حرارتی بهبود یافته را تضمین میکنند. این مزایا، آنها را در بخشهایی مانند خودروهای الکتریکی، زیرساختهای مخابراتی 5G، سیستمهای هوافضا، الکترونیک RF پیشرفته و فناوریهای حسگر MEMS بسیار ارزشمند میکند.
اصول تولید ویفرهای SICOI
ویفرهای SICOI (کاربید سیلیکون روی عایق) از طریق یک فرآیند پیشرفته تولید میشوند.فرآیند اتصال ویفر و نازک شدن:
-
رشد زیرلایه SiC– یک ویفر SiC تک کریستالی با کیفیت بالا (4H/6H) به عنوان ماده دهنده تهیه میشود.
-
رسوب لایه عایق– یک لایه عایق (SiO₂ یا Si₃N₄) روی ویفر حامل (Si یا SiC) تشکیل میشود.
-
پیوند ویفر– ویفر SiC و ویفر حامل تحت دمای بالا یا کمک پلاسما به یکدیگر متصل میشوند.
-
نازک شدن و صیقل دادنویفر دهنده SiC تا چند میکرومتر نازک شده و صیقل داده میشود تا سطحی صاف در حد اتم به دست آید.
-
بازرسی نهاییویفر SICOI تکمیلشده از نظر یکنواختی ضخامت، زبری سطح و عملکرد عایقبندی آزمایش میشود.
از طریق این فرآیند، یکلایه نازک فعال SiCبا خواص الکتریکی و حرارتی عالی که با یک فیلم عایق و یک زیرلایه نگهدارنده ترکیب شده است، یک پلتفرم با کارایی بالا برای دستگاههای قدرت و RF نسل بعدی ایجاد میکند.
مزایای کلیدی ویفرهای SICOI
| دسته بندی ویژگی ها | مشخصات فنی | مزایای اصلی |
|---|---|---|
| ساختار مواد | لایه فعال 4H/6H-SiC + فیلم عایق (SiO₂/Si₃N₄) + حامل Si یا SiC | ایزولاسیون الکتریکی قوی را ایجاد میکند، تداخل پارازیتی را کاهش میدهد |
| خواص الکتریکی | قدرت شکست بالا (>3 MV/cm)، تلفات دیالکتریک کم | بهینه شده برای عملکرد در ولتاژ و فرکانس بالا |
| خواص حرارتی | رسانایی حرارتی تا ۴.۹ وات بر سانتیمتر مربع بر کلوین، پایدار در دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد | اتلاف حرارت موثر، عملکرد عالی تحت بارهای حرارتی شدید |
| خواص مکانیکی | سختی بسیار بالا (9.5 موهس)، ضریب انبساط حرارتی پایین | مقاوم در برابر فشار، افزایش طول عمر دستگاه |
| کیفیت سطح | سطح فوق العاده صاف (Ra <0.2 nm) | اپیتاکسی بدون نقص و ساخت قابل اعتماد دستگاه را ارتقا میدهد |
| عایق | مقاومت ویژه > 10¹⁴ Ω·cm، جریان نشتی کم | عملکرد قابل اعتماد در کاربردهای RF و ایزولاسیون ولتاژ بالا |
| اندازه و سفارشی سازی | موجود در قالبهای ۴، ۶ و ۸ اینچی؛ ضخامت SiC 1 تا ۱۰۰ میکرومتر؛ عایق ۰.۱ تا ۱۰ میکرومتر | طراحی انعطافپذیر برای نیازهای مختلف کاربرد |
حوزههای کاربردی اصلی
| بخش کاربرد | موارد استفاده معمول | مزایای عملکرد |
|---|---|---|
| الکترونیک قدرت | اینورترهای خودروهای برقی، ایستگاههای شارژ، دستگاههای برق صنعتی | ولتاژ شکست بالا، کاهش تلفات سوئیچینگ |
| فرکانس رادیویی و 5G | تقویتکنندههای توان ایستگاه پایه، قطعات موج میلیمتری | پارازیت کم، پشتیبانی از عملیات در محدوده گیگاهرتز |
| حسگرهای MEMS | حسگرهای فشار محیطهای سخت، MEMS مخصوص ناوبری | پایداری حرارتی بالا، مقاوم در برابر اشعه |
| هوافضا و دفاع | ارتباطات ماهوارهای، ماژولهای قدرت اویونیک | قابلیت اطمینان در دماهای بسیار بالا و قرار گرفتن در معرض تابش |
| شبکه هوشمند | مبدلهای HVDC، قطعکنندههای مدار حالت جامد | عایقبندی بالا، اتلاف برق را به حداقل میرساند |
| الکترونیک نوری | LED های UV، زیرلایه های لیزری | کیفیت کریستالی بالا، انتشار نور کارآمد را پشتیبانی میکند |
ساخت 4H-SiCOI
تولید ویفرهای 4H-SiCOI از طریق ... انجام میشود.فرآیندهای اتصال ویفر و نازک شدنکه امکان ایجاد سطوح عایق با کیفیت بالا و لایههای فعال SiC بدون نقص را فراهم میکند.
-
aشماتیک ساخت پلتفرم ماده 4H-SiCOI.
-
bتصویر یک ویفر 4H-SiCOI 4 اینچی با استفاده از اتصال و نازکسازی؛ نواحی دارای نقص مشخص شدهاند.
-
c: مشخصهیابی یکنواختی ضخامت زیرلایه 4H-SiCOI.
-
dتصویر نوری از یک قالب 4H-SiCOI.
-
eجریان فرآیند ساخت یک تشدیدگر میکرودیسک SiC.
-
f: SEM از یک تشدیدگر میکرودیسک تکمیل شده.
-
gتصویر SEM بزرگشده که دیواره جانبی تشدیدگر را نشان میدهد؛ تصویر ضمیمه AFM، صافی سطح در مقیاس نانو را نشان میدهد.
-
h: SEM مقطعی که سطح بالایی سهموی شکل را نشان میدهد.
سوالات متداول در مورد ویفرهای SICOI
سوال ۱: ویفرهای SICOI چه مزایایی نسبت به ویفرهای سنتی SiC دارند؟
A1: برخلاف زیرلایههای استاندارد SiC، ویفرهای SICOI شامل یک لایه عایق هستند که ظرفیت خازنی پارازیتی و جریانهای نشتی را کاهش میدهد و منجر به راندمان بالاتر، پاسخ فرکانسی بهتر و عملکرد حرارتی برتر میشود.
Q2: معمولاً چه اندازههای ویفر موجود است؟
A2: ویفرهای SICOI معمولاً در قالبهای 4 اینچی، 6 اینچی و 8 اینچی تولید میشوند و ضخامت لایه SiC و عایق سفارشی بسته به نیاز دستگاه در دسترس است.
س ۳: کدام صنایع بیشترین سود را از ویفرهای SICOI میبرند؟
الف) صنایع کلیدی شامل الکترونیک قدرت برای وسایل نقلیه الکتریکی، الکترونیک RF برای شبکههای 5G، MEMS برای حسگرهای هوافضا و الکترونیک نوری مانند LEDهای UV است.
Q4: لایه عایق چگونه عملکرد دستگاه را بهبود میبخشد؟
A4: لایه عایق (SiO₂ یا Si₃N₄) از نشت جریان جلوگیری کرده و تداخل الکتریکی را کاهش میدهد، که باعث افزایش تحمل ولتاژ، سوئیچینگ کارآمدتر و کاهش اتلاف گرما میشود.
سوال ۵: آیا ویفرهای SICOI برای کاربردهای دمای بالا مناسب هستند؟
A5: بله، با رسانایی حرارتی بالا و مقاومت فراتر از 500 درجه سانتیگراد، ویفرهای SICOI به گونهای طراحی شدهاند که در گرمای شدید و در محیطهای سخت، عملکرد قابل اعتمادی داشته باشند.
Q6: آیا ویفرهای SICOI قابل سفارشیسازی هستند؟
A6: کاملاً. تولیدکنندگان طرحهای سفارشی برای ضخامتهای خاص، سطوح دوپینگ و ترکیبات زیرلایه ارائه میدهند تا نیازهای متنوع تحقیقاتی و صنعتی را برآورده کنند.
