1. सिलिकॉन कार्बाइड का परिचय
सेमीकंडक्टर सामग्री वैश्विक उच्च तकनीकी प्रतिस्पर्धा और प्रमुख शक्ति प्रतिद्वंद्विता का केंद्र बिंदु बन गई है। उनमें से, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) द्वारा प्रस्तुत विस्तृत {{3}बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री को अगली पीढ़ी के मोबाइल संचार, स्मार्ट ग्रिड, उच्च गति रेल परिवहन, नई ऊर्जा वाहन और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे प्रमुख क्षेत्रों में बड़े पैमाने पर अनुप्रयोगों में लागू किया गया है। सिलिकॉन कार्बाइड में एक विस्तृत बैंडगैप, उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र, उच्च तापीय चालकता, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति वेग और मजबूत विकिरण प्रतिरोध शामिल हैं। यह सिलिकॉन आधारित सेमीकंडक्टर उपकरणों की प्रदर्शन सीमाओं को तोड़ सकता है और इसे पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और माइक्रोवेव रेडियो फ्रीक्वेंसी उपकरणों के "सीपीयू" के साथ-साथ हरित अर्थव्यवस्था की "कोर चिप" माना जाता है [1]।
सिलिकॉन कार्बाइड की क्रिस्टल संरचना
सिलिकॉन कार्बाइड अद्वितीय भौतिक और रासायनिक गुणों वाला एक IV{0}}IV यौगिक है। Si और C परमाणु sp³ हाइब्रिड ऑर्बिटल्स में इलेक्ट्रॉन जोड़े साझा करके सहसंयोजक बंधन बनाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप SiC क्रिस्टल बनाने के लिए टेट्राहेड्रल बॉन्डिंग संरचना बनती है। सिलिकॉन कार्बाइड में 200 से अधिक पॉलीटाइप होते हैं, जिनका निर्माण विभिन्न अनुक्रमों में Si{4}}C बाइलेयर को स्टैक करके किया जाता है। ज्ञात पॉलीटाइप्स में 2H-SiC, 3C{9}SiC, 4H{11}}SiC, 6H{13}}SiC, 15R{15}}SiC आदि शामिल हैं। पॉलीटाइप पदनाम क्रिस्टल प्रणाली (घन के लिए C, हेक्सागोनल के लिए H, rhombohedral के लिए R) के साथ संयुक्त प्रति यूनिट सेल Si-C bilayers की संख्या पर आधारित है। विभिन्न SiC पॉलीटाइप में अलग-अलग इलेक्ट्रॉनिक, ऑप्टिकल और मैकेनिकल गुण होते हैं, इस प्रकार विभिन्न अनुप्रयोगों में अलग-अलग लाभ मिलते हैं [2-4]।
3C-SiC: 3C-SiC सबसे सरल पॉलीटाइप है, जिसमें क्यूबिक क्लोज्ड{{2}पैक्ड संरचना होती है। सी और सी परमाणु एक विशिष्ट त्रि-आयामी पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, जिससे एक अत्यधिक सममित क्रिस्टल बनता है। इसकी समरूपता के कारण, 3C-SiC में अपेक्षाकृत खराब इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण हैं, इसलिए इसका व्यावहारिक अनुप्रयोग सीमित है।
4H-SiC और 6H{3}}SiC: 3C से भिन्न, 4H से भिन्न, 3 से 3 SiC में और 6H से 6H में षट्कोणीय बंद संरचनाएं होती हैं। दोनों पॉलीटाइप इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, तापीय चालकता और बैंडगैप में 3C से बेहतर हैं। उच्च-तापमान और उच्च-विकिरण वातावरण [4]।
सिलिकॉन कार्बाइड के घरेलू और अंतर्राष्ट्रीय विकास का अवलोकन
1990 के दशक में, क्री और वेस्टिंगहाउस जैसी विदेशी कंपनियों ने पहले से ही 2-4 इंच SiC सबस्ट्रेट्स के विकास और उत्पादन में अग्रणी भूमिका निभाई थी। 21वीं सदी में प्रवेश करते हुए, निरंतर तकनीकी पुनरावृत्ति के साथ, 6-इंच SiC वेफर्स धीरे-धीरे बाजार में मुख्यधारा बन गए। इलेक्ट्रिक वाहन और नई ऊर्जा उद्योगों की विस्फोटक वृद्धि से प्रेरित होकर, SiC सामग्रियों की वैश्विक मांग में वृद्धि जारी है। घरेलू और विदेशी उद्यमों और अनुसंधान संस्थानों ने बड़े आकार, उच्च गुणवत्ता वाले SiC वेफर्स में अनुसंधान एवं विकास निवेश बढ़ाया है। वर्तमान में, वोल्फस्पीड, II-VI, और रोहम जैसे अंतर्राष्ट्रीय निर्माताओं ने 8-इंच SiC सबस्ट्रेट्स का बड़े पैमाने पर उत्पादन हासिल किया है। चीन की "14वीं पंचवर्षीय योजना" के प्रोत्साहन के तहत, घरेलू 8-इंच SiC सब्सट्रेट उत्पादन भी औद्योगीकरण चरण में प्रवेश कर गया है, टैंकब्लू, SICC, और जिंगशेंग मैकेनिकल एंड इलेक्ट्रिकल जैसी कंपनियों ने क्रमिक रूप से 8-इंच SiC सब्सट्रेट्स की बैच आपूर्ति की घोषणा की है [5]।
वर्तमान में, 6 इंच SiC वैश्विक वाणिज्यिक मुख्यधारा बनी हुई है, जबकि 8 इंच के उत्पाद औद्योगीकरण की ओर तेजी से बढ़ रहे हैं। 12-इंच SiC क्षेत्र में संकेंद्रित सफलताएं तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर उद्योग के लिए एक महत्वपूर्ण मोड़ है। एसआईसीसी, जिंगशेंग मैकेनिकल एंड इलेक्ट्रिकल, जिंग्यू सेमीकंडक्टर, तियानचेंग सेमीकंडक्टर, कीउ सेमीकंडक्टर, होशाइन सिलिकॉन, नानशा जिंगयुआन, ग्लोबलवेफर्स, शुओके क्रिस्टल के साथ-साथ यूएस-आधारित वोल्फस्पीड सहित घरेलू कंपनियों ने 12-इंच SiC सिंगल क्रिस्टल और सबस्ट्रेट्स के विकास में बड़ी प्रगति की है।
2. सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल तैयार करने की विधियाँ
वर्तमान में, उच्च गुणवत्ता वाले SiC एकल क्रिस्टल का उत्पादन करने में सक्षम तीन मुख्य विधियाँ हैं भौतिक वाष्प परिवहन (PVT) विधि, उच्च {{1} तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (HTCVD) विधि, और शीर्ष {{2} बीजयुक्त समाधान वृद्धि (TSSG) विधि।
भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी) विधि
1955 में, लेली ने पहली बार SiC एकल क्रिस्टल विकसित करने के लिए उर्ध्वपातन विधि का उपयोग किया। हालाँकि, इस पद्धति में कई अंतर्निहित कमियाँ थीं: अत्यधिक उच्च विकास तापमान, न्यूक्लियेशन को सटीक रूप से नियंत्रित करने में कठिनाई, कम विकास दक्षता, परिणामी क्रिस्टल में विद्युत मापदंडों का व्यापक फैलाव और आम तौर पर छोटे क्रिस्टल आकार। परिणामस्वरूप, लेली विधि द्वारा उत्पादित SiC क्रिस्टल की गुणवत्ता खराब थी, जबकि लागत अधिक रही। इस तकनीकी चुनौती को 1978 तक दूर नहीं किया जा सका, जब ताईरोव और उनके सहयोगियों ने पारंपरिक लेली विधि के आधार पर विकास प्रक्रिया में एक बीज क्रिस्टल पेश किया, जिससे न्यूक्लिएशन पर प्रभावी नियंत्रण सक्षम हो गया और विकास तापमान कम हो गया। यह विधि संशोधित लेली विधि अर्थात भौतिक वाष्प परिवहन विधि [6-9] के रूप में जानी जाने लगी।
पीवीटी विधि में परिपक्व तकनीक और मजबूत नियंत्रणीयता है, और यह वर्तमान में उच्च {{0}गुणवत्ता, बड़े आकार के SiC के उत्पादन के लिए प्राथमिक विधि है। इस विधि में, SiC पाउडर को ग्रेफाइट क्रूसिबल के नीचे रखा जाता है, और एक SiC बीज क्रिस्टल को शीर्ष पर रखा जाता है। ग्रेफाइट क्रूसिबल को SiC के उर्ध्वपातन तापमान तक गर्म किया जाता है, जिससे पाउडर Si वाष्प, Si₂C और SiC₂ जैसी गैसीय प्रजातियों में विघटित हो जाता है। एक अक्षीय तापमान प्रवणता द्वारा प्रेरित, ये प्रजातियाँ क्रूसिबल के शीर्ष पर उदात्त हो जाती हैं और SiC बीज सतह पर संघनित होकर SiC एकल क्रिस्टल में क्रिस्टलीकृत हो जाती हैं [6]। यह विधि बड़े पैमाने पर {{7}आकार, उच्च {{9}शुद्धता वाले SiC का उत्पादन कर सकती है और बड़े पैमाने पर औद्योगिक उत्पादन के लिए उपयुक्त है, लेकिन इसके नुकसान में धीमी विकास दर और पर्याप्त उपकरणों की आवश्यकता शामिल है, जिससे उच्च उत्पादन लागत होती है।
पीवीटी वृद्धि प्रक्रिया के लिए, कई कारक SiC क्रिस्टल वृद्धि को प्रभावित करते हैं, जिनमें तापमान, तापमान प्रवणता, क्रूसिबल दबाव, बीज और पॉलीक्रिस्टलाइन पाउडर के बीच की दूरी और पाउडर की शुद्धता शामिल है।
1.1 SiC पाउडर संश्लेषण
SiC पाउडर, एकल क्रिस्टल को संश्लेषित करने और विकसित करने के लिए कच्चे माल के रूप में, सीधे विकसित क्रिस्टल की गुणवत्ता और इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों को प्रभावित करता है। विकास के दौरान संरचनागत पृथक्करण को कम करना, अशुद्धता सामग्री को कम करना और परिवहन प्रदर्शन में सुधार करना पाउडर तैयार करने और पूर्व-उपचार में महत्वपूर्ण लक्ष्य हैं [8]।
एकल क्रिस्टल उगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले SiC पाउडर को बहुत उच्च शुद्धता आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए, जिसमें अशुद्धता सामग्री आदर्श रूप से 0.001% से कम हो। SiC पाउडर तैयार करने की कई विधियाँ हैं, जिन्हें कच्चे माल की प्रारंभिक अवस्था के आधार पर ठोस चरण, तरल चरण, तरल चरण और गैस चरण विधि में वर्गीकृत किया जा सकता है। ठोस चरण विधियों में मुख्य रूप से कार्बोथर्मल कमी, यांत्रिक क्रशिंग, और स्व-प्रसार उच्च तापमान संश्लेषण शामिल हैं; तरल चरण विधियों में सोल {{10} जेल और पॉलिमर अपघटन शामिल हैं; गैस चरण विधियों में रासायनिक वाष्प जमाव और प्लाज्मा विधियाँ शामिल हैं। इनमें से, गैस चरण विधियां गैस स्रोतों में अशुद्धता के स्तर को नियंत्रित करके उच्च शुद्धता SiC पाउडर प्राप्त कर सकती हैं; तरल चरण विधियों के बीच, केवल सोल {16} जेल विधि एकल क्रिस्टल विकास के लिए शुद्धता आवश्यकताओं को पूरा करने वाले पाउडर का उत्पादन कर सकती है; ठोस चरण विधियों के बीच, उन्नत स्व-प्रसार उच्च तापमान संश्लेषण विधि वर्तमान में SiC पाउडर तैयार करने के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली और परिपक्व प्रक्रिया है [2,8]।
1.2 क्रूसिबल
क्रूसिबल की आंतरिक संरचना सीधे विकसित SiC एकल क्रिस्टल के आकार और गुणवत्ता को प्रभावित करती है; क्रूसिबल के अंदर सीमित विकास क्षेत्र व्यास वृद्धि को प्रतिबंधित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है [7]। इसके अलावा, सामग्री की शुद्धता और मशीनिंग कारकों के कारण क्रूसिबल में धातु की अशुद्धियाँ आ सकती हैं। जब ऐसी अशुद्धियाँ मौजूद होती हैं, तो वे क्रूसिबल के असमान ताप का कारण बनती हैं, जिससे भट्ठी के अंदर तापमान क्षेत्र वितरण और इस प्रकार क्रिस्टल की गुणवत्ता प्रभावित होती है। इससे बचने के लिए, क्रूसिबल को शुद्धिकरण उपचार से गुजरना होगा [2]।
1.3 बीज क्रिस्टल
SiC क्रिस्टल के लिए, अलग-अलग विकास दिशाएँ अलग-अलग विकास दर प्रदर्शित करती हैं। विकास सतह की पसंद और व्यवस्था न केवल क्रिस्टल की गुणवत्ता बल्कि क्रिस्टल के आकार को भी प्रभावित करती है। बीज की सतह की आकृति विज्ञान और संरचना सीधे क्रिस्टल में माइक्रोपाइप और दोषों की संख्या को प्रभावित करती है। बड़े आकार के एकल क्रिस्टल प्राप्त करने के लिए, एक बड़ा बीज क्रिस्टल एक पूर्वापेक्षा है। बीज का लगाव आम तौर पर चिपकने वाले पदार्थों का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। आमतौर पर, संशोधित फेनोलिक राल को एक चिपकने वाला बनाने के लिए एथिल एसीटोएसीटेट में घोल दिया जाता है, जिसे समान रूप से SiC बीज के पीछे और क्रूसिबल ढक्कन की निचली सतह पर लगाया जाता है। बुलबुले और अतिरिक्त चिपकने को बाहर निकालने के लिए बीज की सतह पर दबाव डाला जाता है। फिर ढक्कन को गर्म करने के लिए ओवन में रखा जाता है और 2 घंटे तक रखा जाता है, इसके बाद आर्गन वातावरण में चिपकने वाले का कार्बोनाइजेशन किया जाता है। असमान तनाव के कारण बीज को टूटने से बचाने के लिए बॉन्डिंग के दौरान एक समान दबाव सुनिश्चित करने के लिए सावधानी बरतनी चाहिए [2]।
1.4 विकास पैरामीटर्स
SiC एकल क्रिस्टल वृद्धि के दौरान तापमान, दबाव, तापमान प्रवणता, गैस आपूर्ति और अन्य मापदंडों की सेटिंग्स सीधे जमा क्रिस्टल की एकरूपता, क्रिस्टलीयता और दोष गुणों को प्रभावित करती हैं। क्रिस्टल विकास मापदंडों का अनुसंधान और डिजाइन हमेशा एक प्रमुख फोकस रहा है। क्रिस्टल विकास प्रक्रियाओं में मुख्य रूप से तापमान और दबाव को नियंत्रित करना शामिल है। SiC क्रिस्टल वृद्धि में गर्मी हस्तांतरण, द्रव्यमान स्थानांतरण और रासायनिक प्रतिक्रियाएं शामिल हैं। भट्ठी के अंदर तापमान क्षेत्र वितरण काफी हद तक SiC एकल क्रिस्टल की गुणवत्ता और विकास दर निर्धारित करता है। उच्च गुणवत्ता वाले, बड़े आकार के क्रिस्टल प्राप्त करने के लिए तापमान क्षेत्र और वाष्प परिवहन प्रक्रियाओं की सटीक समझ महत्वपूर्ण है।
शीर्ष-बीजयुक्त समाधान वृद्धि (टीएसएसजी) विधि
टीएसएसजी विधि, जिसे तरल चरण विधि के रूप में भी जाना जाता है, धीमी गति से SiC एकल क्रिस्टल को विकसित करती है, लेकिन उत्पादित क्रिस्टल में उच्च संरचनात्मक पूर्णता होती है। TSSG उपकरण में एक इंडक्शन कॉइल, ग्रेफाइट इंसुलेशन, एक ग्रेफाइट क्रूसिबल, एक Si मेल्ट, एक SiC सीड क्रिस्टल और एक खींचने वाली रॉड होती है। ग्रेफाइट क्रूसिबल का उपयोग किया जाता है क्योंकि यह गर्मी प्रतिरोधी और संक्षारण प्रतिरोधी है, सी पिघल के लिए एक कंटेनर के रूप में कार्य करता है, और यह क्रिस्टल विकास के लिए कार्बन स्रोत भी प्रदान करता है। सिलिकॉन कच्चे माल और डोपेंट को ग्रेफाइट क्रूसिबल में रखा जाता है। चूँकि क्रूसिबल की दीवार पर तापमान अधिक होता है जबकि बीज की छड़ पर तापमान कम होता है, कार्बन ग्रेफाइट क्रूसिबल से घुल जाता है और बीज पर पिघले हुए सिलिकॉन के साथ मिलकर SiC क्रिस्टल बनाता है। पीवीटी विधि की तुलना में, तरल चरण विधि कम अव्यवस्था घनत्व, आसान व्यास विस्तार और पी - प्रकार के क्रिस्टल प्राप्त करने की क्षमता जैसे लाभ प्रदान करती है। हालाँकि, अशुद्धता सामग्री नियंत्रण और संक्रमण तत्वों के चयन के संबंध में मुद्दे बने हुए हैं।
क्योंकि टीएसएसजी विधि का सार सिलिकॉन पिघल में कार्बन का विघटन और पुन: क्रिस्टलीकरण है, सी समाधान में कार्बन घुलनशीलता को बढ़ाना सफल SiC एकल - क्रिस्टल विकास की कुंजी है। हालाँकि, सिलिकॉन में कार्बन की घुलनशीलता बेहद कम है, 3037 K के पेरिटेक्टिक तापमान पर भी लगभग 13%। इसके अलावा, सिलिकॉन सीधे 2273 K से ऊपर वाष्पीकृत हो जाता है, इसलिए कार्बन घुलनशीलता बढ़ाने के लिए अन्य संक्रमण या दुर्लभ पृथ्वी तत्वों को Si समाधान में जोड़ा जाना चाहिए। इसलिए, TSSG विधि द्वारा सफल SiC क्रिस्टल विकास के लिए एक उपयुक्त विलायक का चयन करना सबसे महत्वपूर्ण कदम है। एक अन्य प्रमुख अनुसंधान फोकस विकास के दौरान गतिज प्रक्रियाओं को नियंत्रित करना है। इसके अतिरिक्त, सॉल्वेंट समावेशन और पॉलीटाइप नियंत्रण समाधान विकास में महत्वपूर्ण मुद्दे हैं [5,10]।
उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (एचटीसीवीडी) विधि
एचटीसीवीडी रिएक्टर में एक ग्रेफाइट क्रूसिबल होता है जिसके शीर्ष पर एक बीज क्रिस्टल रखा जाता है, बाहरी इन्सुलेशन और इंडक्शन हीटिंग होता है। कच्चा माल गैसीय सिलिकॉन - और कार्बन - है जिसमें SiH₄, SiCl₄, C₃H₈, और C₂H₂ जैसे यौगिक होते हैं। रिएक्टर के अंदर तापमान और दबाव को नियंत्रित करके, SiC 2200 डिग्री -2500 डिग्री के तापमान पर बीज पर बढ़ता है। पीवीटी विधि की तुलना में, एचटीसीवीडी विधि उच्च शुद्धता, सी/सी अनुपात का सुविधाजनक नियंत्रण और स्रोत सामग्री की निरंतर आपूर्ति जैसे लाभ प्रदान करती है। इसका नुकसान यह है कि सिलिकॉन और कार्बन दोनों स्रोत गैसों से आते हैं, और उच्च विकास तापमान के कारण बिजली की खपत और उत्पादन लागत अधिक हो जाती है [2-3]।
3. सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल के विकास के रुझान
आगे देखते हुए, उच्च {{0}गुणवत्ता वाली SiC सिंगल{{1}क्रिस्टल तैयारी तकनीक को चार प्रमुख दिशाओं में उन्नत करना जारी रखा जाएगा: बड़े{2}आकार, उच्च{3}गुणवत्ता, कम{{4}लागत, और बुद्धिमान [11]:
बड़ा-आकार: SiC एकल क्रिस्टल का व्यास प्रारंभिक मिलीमीटर स्केल से वर्तमान 6 इंच, 8 इंच और यहां तक कि 12 इंच और उससे भी अधिक तक विस्तारित हो गया है। बड़े आकार के क्रिस्टल तैयार करने से उत्पादन क्षमता में काफी सुधार हो सकता है, इकाई निर्माण लागत कम हो सकती है और उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की जरूरतों को बेहतर ढंग से पूरा किया जा सकता है।
उच्च-गुणवत्ता: उच्च गुणवत्ता वाले SiC सब्सट्रेट विश्वसनीय उच्च प्रदर्शन उपकरणों के लिए मुख्य आधार हैं। हालाँकि SiC सिंगल क्रिस्टल गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ है, माइक्रोपाइप, डिस्लोकेशन और अशुद्धियाँ जैसे क्रिस्टल दोष व्यापक बने हुए हैं, जो सीधे डिवाइस के प्रदर्शन और दीर्घकालिक विश्वसनीयता को प्रभावित कर रहे हैं। भविष्य के प्रयास दोष नियंत्रण में निरंतर सफलताओं पर केंद्रित होंगे।
कम-लागत: वर्तमान में, SiC सिंगल क्रिस्टल तैयार करने की अपेक्षाकृत उच्च लागत अधिक परिदृश्यों में इसके बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग को सीमित करती है। क्रिस्टल विकास प्रक्रियाओं को अनुकूलित करके, उपज और उत्पादन दक्षता में सुधार करके और पूरे उद्योग श्रृंखला में कच्चे माल और उपभोज्य लागत को कम करके भविष्य की लागत में कटौती प्राप्त की जा सकती है।
बुद्धिमान: कृत्रिम बुद्धिमत्ता, बड़े डेटा और अन्य प्रौद्योगिकियों से सशक्त, SiC क्रिस्टल विकास प्रक्रिया धीरे-धीरे और अधिक बुद्धिमान हो जाएगी। इनलाइन सेंसर और स्वचालित नियंत्रण प्रणालियों की तैनाती के माध्यम से, संपूर्ण विकास प्रक्रिया की वास्तविक समय पर निगरानी और सटीक विनियमन प्राप्त किया जा सकता है, जिससे प्रक्रिया स्थिरता और निरंतरता में सुधार होगा। बड़े डेटा विश्लेषण के साथ मिलकर, क्रिस्टल गुणवत्ता और उत्पादन दक्षता को और बढ़ाने के लिए विकास मापदंडों को पुनरावृत्त रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।