सेमीकंडक्टर उद्योग में SiC सबस्ट्रेट्स और क्रिस्टल ग्रोथ की महत्वपूर्ण भूमिका

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) उद्योग श्रृंखला के भीतर, सब्सट्रेट आपूर्तिकर्ता महत्वपूर्ण लाभ उठाते हैं, मुख्य रूप से मूल्य वितरण के कारण।SiC सबस्ट्रेट्स कुल मूल्य का 47% है, इसके बाद एपिटैक्सियल परतें 23% हैं, जबकि डिवाइस डिज़ाइन और विनिर्माण शेष 30% है। यह उलटी मूल्य श्रृंखला सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल परत उत्पादन में निहित उच्च तकनीकी बाधाओं से उत्पन्न होती है।

3 प्रमुख चुनौतियाँ SiC सब्सट्रेट विकास को प्रभावित करती हैं:कठोर विकास की स्थितियाँ, धीमी विकास दर, और क्रिस्टलोग्राफिक आवश्यकताओं की मांग। ये जटिलताएँ प्रसंस्करण कठिनाई को बढ़ाने में योगदान करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अंततः कम उत्पाद की पैदावार और उच्च लागत होती है। इसके अलावा, एपिटैक्सियल परत की मोटाई और डोपिंग एकाग्रता महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं जो सीधे अंतिम डिवाइस के प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।

SiC सब्सट्रेट विनिर्माण प्रक्रिया:

कच्चा माल संश्लेषण:उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन और कार्बन पाउडर को एक विशिष्ट नुस्खा के अनुसार सावधानीपूर्वक मिश्रित किया जाता है। यह मिश्रण नियंत्रित क्रिस्टल संरचना और कण आकार के साथ SiC कणों को संश्लेषित करने के लिए उच्च तापमान प्रतिक्रिया (2000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर) से गुजरता है। बाद में कुचलने, छानने और साफ करने की प्रक्रियाओं से क्रिस्टल के विकास के लिए उपयुक्त उच्च शुद्धता वाला SiC पाउडर प्राप्त होता है।

क्रिस्टल ग्रोथ:SiC सब्सट्रेट निर्माण में सबसे महत्वपूर्ण कदम के रूप में, क्रिस्टल विकास सब्सट्रेट के विद्युत गुणों को निर्धारित करता है। वर्तमान में, भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी) विधि वाणिज्यिक SiC क्रिस्टल विकास पर हावी है। विकल्पों में उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (एचटी-सीवीडी) और तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई) शामिल हैं, हालांकि उनका व्यावसायिक उपयोग सीमित है।

क्रिस्टल प्रसंस्करण:इस चरण में सावधानीपूर्वक चरणों की एक श्रृंखला के माध्यम से SiC बाउल्स को पॉलिश वेफर्स में बदलना शामिल है: पिंड प्रसंस्करण, वेफर स्लाइसिंग, पीसना, पॉलिश करना और सफाई करना। प्रत्येक चरण के लिए उच्च परिशुद्धता वाले उपकरण और विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है, जो अंततः अंतिम SiC सब्सट्रेट की गुणवत्ता और प्रदर्शन को सुनिश्चित करता है।

1. SiC क्रिस्टल ग्रोथ में तकनीकी चुनौतियाँ:

SiC क्रिस्टल विकास को कई तकनीकी बाधाओं का सामना करना पड़ता है:

उच्च विकास तापमान:2300°C से अधिक होने पर, इन तापमानों के लिए विकास भट्ठी के भीतर तापमान और दबाव दोनों पर कड़े नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

बहुरूपता नियंत्रण:SiC 250 से अधिक बहुप्रकार प्रदर्शित करता है, जिसमें 4H-SiC इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए सबसे वांछनीय है। इस विशिष्ट पॉलीटाइप को प्राप्त करने के लिए विकास के दौरान सिलिकॉन-से-कार्बन अनुपात, तापमान प्रवणता और गैस प्रवाह गतिशीलता पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

धीमी विकास दर:पीवीटी, व्यावसायिक रूप से स्थापित होने के बावजूद, लगभग 0.3-0.5 मिमी/घंटा की धीमी वृद्धि दर से ग्रस्त है। 2 सेमी क्रिस्टल को विकसित करने में लगभग 7 दिन लगते हैं, अधिकतम प्राप्त क्रिस्टल की लंबाई 3-5 सेमी तक सीमित होती है। यह सिलिकॉन क्रिस्टल के विकास के साथ बिल्कुल विपरीत है, जहां बाउल्स 72 घंटों के भीतर 2-3 मीटर की ऊंचाई तक पहुंचते हैं, व्यास 6-8 इंच और यहां तक ​​कि नई सुविधाओं में 12 इंच तक पहुंचते हैं। यह विसंगति SiC पिंड व्यास को सीमित करती है, आमतौर पर 4 से 6 इंच तक।

जबकि भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी) वाणिज्यिक SiC क्रिस्टल विकास पर हावी है, उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (HT-CVD) और तरल चरण एपिटैक्सी (LPE) जैसे वैकल्पिक तरीके विशिष्ट लाभ प्रदान करते हैं। हालाँकि, व्यापक SiC उद्योग को अपनाने के लिए उनकी सीमाओं पर काबू पाना और विकास दर और क्रिस्टल गुणवत्ता को बढ़ाना महत्वपूर्ण है।

यहां इन क्रिस्टल विकास तकनीकों का तुलनात्मक अवलोकन दिया गया है:

(1) भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी):

सिद्धांत: SiC क्रिस्टल विकास के लिए "उच्च बनाने की क्रिया-परिवहन-पुन: क्रिस्टलीकरण" तंत्र का उपयोग करता है।

प्रक्रिया: उच्च शुद्धता वाले कार्बन और सिलिकॉन पाउडर को सटीक अनुपात में मिलाया जाता है। SiC पाउडर और एक बीज क्रिस्टल को क्रमशः विकास भट्टी के भीतर क्रूसिबल के नीचे और ऊपर रखा जाता है। 2000°C से अधिक तापमान एक तापमान प्रवणता बनाता है, जिससे SiC पाउडर उर्ध्वपातित हो जाता है और बीज क्रिस्टल पर पुन: क्रिस्टलीकृत हो जाता है, जिससे बाउल बनता है।

कमियां: धीमी वृद्धि दर (7 दिनों में लगभग 2 सेमी), परजीवी प्रतिक्रियाओं के प्रति संवेदनशीलता, जिसके कारण विकसित क्रिस्टल में उच्च दोष घनत्व होता है।

(2) उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (एचटी-सीवीडी):

सिद्धांत: 2000-2500°C के बीच के तापमान पर, उच्च शुद्धता वाली पूर्ववर्ती गैसें जैसे सिलेन, ईथेन या प्रोपेन और हाइड्रोजन को एक प्रतिक्रिया कक्ष में पेश किया जाता है। ये गैसें उच्च तापमान क्षेत्र में विघटित हो जाती हैं, जिससे गैसीय SiC अग्रदूत बनते हैं जो बाद में निचले तापमान क्षेत्र में एक बीज क्रिस्टल पर जमा और क्रिस्टलीकृत हो जाते हैं।

लाभ: निरंतर क्रिस्टल विकास को सक्षम बनाता है, उच्च शुद्धता वाले गैसीय अग्रदूतों का उपयोग करता है जिसके परिणामस्वरूप कम दोषों के साथ उच्च शुद्धता वाले SiC क्रिस्टल प्राप्त होते हैं।

कमियां: धीमी वृद्धि दर (लगभग 0.4-0.5 मिमी/घंटा), उच्च उपकरण और परिचालन लागत, गैस इनलेट और आउटलेट के बंद होने की संवेदनशीलता।

(3) तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई):

(हालांकि आपके अंश में शामिल नहीं है, मैं संपूर्णता के लिए एलपीई का एक संक्षिप्त अवलोकन जोड़ रहा हूं।)

सिद्धांत: एक "विघटन-वर्षा" तंत्र को नियोजित करता है। 1400-1800 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, कार्बन उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन मेल्ट में घुल जाता है। ठंडा होने पर सुपरसैचुरेटेड घोल से SiC क्रिस्टल अवक्षेपित हो जाते हैं।

लाभ: कम विकास तापमान शीतलन के दौरान थर्मल तनाव को कम करता है, जिसके परिणामस्वरूप कम घनत्व और उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता होती है। पीवीटी की तुलना में काफी तेज विकास दर प्रदान करता है।

कमियां: क्रूसिबल से धातु संदूषण की संभावना, प्राप्य क्रिस्टल आकारों में सीमित, मुख्य रूप से प्रयोगशाला-स्तरीय विकास तक ही सीमित।

प्रत्येक विधि अद्वितीय लाभ और सीमाएँ प्रस्तुत करती है। इष्टतम विकास तकनीक का चयन विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं, लागत विचारों और वांछित क्रिस्टल विशेषताओं पर निर्भर करता है।

2. SiC क्रिस्टल प्रसंस्करण चुनौतियाँ और समाधान:

वेफर स्लाइसिंग:SiC की कठोरता, भंगुरता और घर्षण प्रतिरोध स्लाइसिंग को चुनौतीपूर्ण बनाते हैं। पारंपरिक हीरे के तार काटने का काम समय लेने वाला, बेकार और महंगा है। समाधानों में स्लाइसिंग दक्षता और वेफर उपज में सुधार के लिए लेजर डाइसिंग और कोल्ड स्प्लिटिंग तकनीक शामिल हैं।

वेफर पतला करना:SiC की कम फ्रैक्चर कठोरता के कारण इसे पतला करने के दौरान टूटने का खतरा होता है, जिससे समान मोटाई में कमी में बाधा आती है। वर्तमान तकनीकें घूर्णी पीसने पर निर्भर करती हैं, जो पहिया घिसाव और सतह क्षति से ग्रस्त है। सामग्री हटाने की दरों को बढ़ाने और सतह के दोषों को कम करने के लिए अल्ट्रासोनिक कंपन-सहायता वाली पीसने और इलेक्ट्रोकेमिकल मैकेनिकल पॉलिशिंग जैसी उन्नत विधियों का पता लगाया जा रहा है।

3. भविष्य का दृष्टिकोण:

व्यापक रूप से SiC अपनाने के लिए SiC क्रिस्टल विकास और वेफर प्रसंस्करण को अनुकूलित करना महत्वपूर्ण है। भविष्य के अनुसंधान इस आशाजनक अर्धचालक सामग्री की पूरी क्षमता को अनलॉक करने के लिए विकास दर बढ़ाने, क्रिस्टल गुणवत्ता में सुधार और वेफर प्रसंस्करण दक्षता बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित करेंगे।**