सेमीकंडक्टर उद्योगात SiC सबस्ट्रेट्स आणि क्रिस्टल ग्रोथची गंभीर भूमिका

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) उद्योग साखळीमध्ये, सब्सट्रेट पुरवठादार मुख्यत्वे मूल्य वितरणामुळे लक्षणीय लाभ घेतात.SiC सबस्ट्रेट्स एकूण मूल्याच्या 47% आहेत, त्यानंतर एपिटॅक्सियल लेयर 23% आहेत, तर उर्वरित 30% डिव्हाइस डिझाइन आणि उत्पादनाचा समावेश आहे. ही इनव्हर्टेड व्हॅल्यू चेन सब्सट्रेट आणि एपिटॅक्सियल लेयर उत्पादनामध्ये अंतर्निहित उच्च तांत्रिक अडथळ्यांमधून उद्भवते.

3 प्रमुख आव्हाने SiC सब्सट्रेट वाढीला त्रास देतात:कडक वाढीची परिस्थिती, मंद वाढीचा दर आणि क्रिस्टलोग्राफिक आवश्यकतांची मागणी. या गुंतागुंतीमुळे प्रक्रिया अडचणीत वाढ होते, परिणामी उत्पादन कमी आणि जास्त खर्च येतो. शिवाय, एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी आणि डोपिंग एकाग्रता हे अंतिम उपकरणाच्या कार्यक्षमतेवर थेट परिणाम करणारे गंभीर घटक आहेत.

SiC सब्सट्रेट निर्मिती प्रक्रिया:

कच्चा माल संश्लेषण:उच्च-शुद्धता सिलिकॉन आणि कार्बन पावडर एका विशिष्ट रेसिपीनुसार काळजीपूर्वक मिसळले जातात. हे मिश्रण नियंत्रित क्रिस्टल स्ट्रक्चर आणि कणांच्या आकारासह SiC कणांचे संश्लेषण करण्यासाठी उच्च-तापमान प्रतिक्रिया (2000°C च्या वर) घेते. त्यानंतरच्या क्रशिंग, चाळणी आणि साफसफाईच्या प्रक्रियेतून क्रिस्टल वाढीसाठी योग्य उच्च-शुद्धता SiC पावडर मिळते.

क्रिस्टल वाढ:SiC सब्सट्रेट मॅन्युफॅक्चरिंगमधील सर्वात महत्त्वाची पायरी म्हणून, क्रिस्टल ग्रोथ सब्सट्रेटच्या इलेक्ट्रिकल गुणधर्मांवर आधारित आहे. सध्या, भौतिक वाष्प वाहतूक (PVT) पद्धत व्यावसायिक SiC क्रिस्टल वाढीवर वर्चस्व गाजवते. पर्यायांमध्ये उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेपण (HT-CVD) आणि लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (LPE) यांचा समावेश होतो, तरीही त्यांचा व्यावसायिक अवलंब मर्यादित राहतो.

क्रिस्टल प्रक्रिया:या टप्प्यात SiC boules चे पॉलिश्ड वेफर्समध्ये रूपांतरित करणे हे अनेक बारीकसारीक पायऱ्यांद्वारे केले जाते: इनगॉट प्रोसेसिंग, वेफर स्लाइसिंग, ग्राइंडिंग, पॉलिशिंग आणि क्लीनिंग. प्रत्येक पायरी उच्च अचूक उपकरणे आणि कौशल्याची मागणी करते, शेवटी अंतिम SiC सब्सट्रेटची गुणवत्ता आणि कार्यप्रदर्शन सुनिश्चित करते.

1. SiC क्रिस्टल ग्रोथमधील तांत्रिक आव्हाने:

SiC क्रिस्टल वाढीला अनेक तांत्रिक अडथळ्यांचा सामना करावा लागतो:

उच्च वाढ तापमान:2300°C पेक्षा जास्त, या तापमानाला वाढीच्या भट्टीतील तापमान आणि दाब या दोन्हींवर कडक नियंत्रण आवश्यक असते.

पॉलीटाइपिझम नियंत्रण:SiC 250 पेक्षा जास्त पॉलिटाइप प्रदर्शित करते, 4H-SiC इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगांसाठी सर्वात इष्ट आहे. हा विशिष्ट पॉलीटाइप साध्य करण्यासाठी सिलिकॉन-ते-कार्बन गुणोत्तर, तापमान ग्रेडियंट्स आणि वाढीदरम्यान गॅस फ्लो डायनॅमिक्सवर अचूक नियंत्रण आवश्यक आहे.

मंद वाढीचा दर:PVT, व्यावसायिकरित्या स्थापित असताना, अंदाजे 0.3-0.5mm/h च्या मंद वाढीच्या दराने ग्रस्त आहे. 2cm क्रिस्टल वाढण्यास अंदाजे 7 दिवस लागतात, कमाल साध्य करण्यायोग्य क्रिस्टल लांबी 3-5cm पर्यंत मर्यादित असते. हे सिलिकॉन क्रिस्टलच्या वाढीशी पूर्णपणे विरोधाभास करते, जेथे बुल्स 72 तासांच्या आत 2-3 मीटर उंचीवर पोहोचतात, व्यास 6-8 इंच आणि नवीन सुविधांमध्ये 12 इंचांपर्यंत पोहोचतात. ही विसंगती SiC इनगॉट व्यास मर्यादित करते, सामान्यत: 4 ते 6 इंचांपर्यंत.

भौतिक वाष्प वाहतूक (PVT) व्यावसायिक SiC क्रिस्टल वाढीवर वर्चस्व गाजवत असताना, उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेप (HT-CVD) आणि लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (LPE) सारख्या पर्यायी पद्धती वेगळे फायदे देतात. तथापि, त्यांच्या मर्यादांवर मात करणे आणि वाढीचा दर आणि क्रिस्टल गुणवत्ता वाढवणे हे व्यापक SiC उद्योग स्वीकारण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे.

या क्रिस्टल वाढीच्या तंत्रांचे तुलनात्मक विहंगावलोकन येथे आहे:

(1) भौतिक वाष्प वाहतूक (PVT):

तत्त्व: SiC क्रिस्टल वाढीसाठी "सबलिमेशन-ट्रान्सपोर्ट-रीक्रिस्टलायझेशन" यंत्रणा वापरते.

प्रक्रिया: उच्च-शुद्धता कार्बन आणि सिलिकॉन पावडर अचूक प्रमाणात मिसळले जातात. SiC पावडर आणि सीड क्रिस्टल क्रुसिबलच्या तळाशी आणि वरच्या बाजूला, वाढीच्या भट्टीत अनुक्रमे ठेवलेले असतात. 2000°C पेक्षा जास्त तापमान एक तापमान ग्रेडियंट तयार करते, ज्यामुळे SiC पावडर उदात्त बनते आणि बियांच्या क्रिस्टलवर पुन्हा स्फटिक बनते, बाऊल तयार होते.

तोटे: मंद वाढीचा दर (7 दिवसात अंदाजे 2 सेमी), परजीवी प्रतिक्रियांना अतिसंवेदनशीलता ज्यामुळे वाढलेल्या क्रिस्टलमध्ये दोषांची घनता वाढते.

(2) उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प संचय (HT-CVD):

तत्त्व: 2000-2500°C दरम्यानच्या तापमानात, उच्च-शुद्धतेचे पूर्ववर्ती वायू जसे की सिलेन, इथेन किंवा प्रोपेन आणि हायड्रोजन हे अभिक्रिया कक्षेत प्रवेश करतात. हे वायू उच्च-तापमान झोनमध्ये विघटित होतात, वायू SiC पूर्ववर्ती बनतात जे नंतर कमी तापमानाच्या झोनमध्ये बीज क्रिस्टलवर जमा होतात आणि स्फटिक बनतात.

फायदे: सतत क्रिस्टल वाढ करण्यास सक्षम करते, उच्च-शुद्धता वायूच्या पूर्ववर्तींचा वापर करते ज्यामुळे कमी दोषांसह उच्च शुद्धता SiC क्रिस्टल्स मिळतात.

तोटे: मंद वाढीचा दर (अंदाजे 0.4-0.5 मिमी/ता), उच्च उपकरणे आणि ऑपरेशनल खर्च, गॅस इनलेट्स आणि आउटलेट्स अडकण्याची संवेदनशीलता.

(३) लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (एलपीई):

(तुमच्या उताऱ्यात समाविष्ट नसताना, मी पूर्णतेसाठी LPE चे संक्षिप्त विहंगावलोकन जोडत आहे.)

तत्त्व: एक "विघटन-पर्जन्य" यंत्रणा कार्यरत आहे. 1400-1800 डिग्री सेल्सिअस तापमानात, कार्बन उच्च-शुद्धतेच्या सिलिकॉन वितळण्यामध्ये विरघळतो. सुपरसॅच्युरेटेड द्रावण थंड होताना SiC क्रिस्टल्स बाहेर पडतात.

फायदे: कमी वाढीचे तापमान थंड होण्याच्या वेळी थर्मल ताण कमी करते, परिणामी कमी दोष घनता आणि उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता. PVT च्या तुलनेत लक्षणीय जलद वाढ दर ऑफर करते.

तोटे: क्रूसिबलमधून धातू दूषित होण्यास प्रवण, साध्य करण्यायोग्य क्रिस्टल आकारात मर्यादित, प्रामुख्याने प्रयोगशाळेच्या प्रमाणात वाढीपर्यंत मर्यादित.

प्रत्येक पद्धत अद्वितीय फायदे आणि मर्यादा सादर करते. इष्टतम वाढीचे तंत्र निवडणे हे विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकता, खर्च विचार आणि इच्छित क्रिस्टल वैशिष्ट्यांवर अवलंबून असते.

2. SiC क्रिस्टल प्रोसेसिंग आव्हाने आणि उपाय:

वेफर स्लाइसिंग:SiC ची कडकपणा, ठिसूळपणा आणि घर्षण प्रतिरोध स्लाइसिंग आव्हानात्मक बनवते. पारंपारिक डायमंड वायर कापणे वेळखाऊ, व्यर्थ आणि खर्चिक आहे. सोल्युशन्समध्ये स्लाइसिंगची कार्यक्षमता आणि वेफर उत्पन्न सुधारण्यासाठी लेसर डायसिंग आणि कोल्ड स्प्लिटिंग तंत्र समाविष्ट आहे.

वेफर पातळ करणे:SiC च्या कमी फ्रॅक्चर कडकपणामुळे ते पातळ होण्याच्या वेळी क्रॅक होण्याची शक्यता असते, एकसमान जाडी कमी होण्यास अडथळा निर्माण होतो. सध्याची तंत्रे रोटेशनल ग्राइंडिंगवर अवलंबून आहेत, ज्याला चाकांचा पोशाख आणि पृष्ठभागाचे नुकसान होते. अल्ट्रासोनिक कंपन-सहाय्यक ग्राइंडिंग आणि इलेक्ट्रोकेमिकल मेकॅनिकल पॉलिशिंग सारख्या प्रगत पद्धती सामग्री काढण्याचे दर वाढविण्यासाठी आणि पृष्ठभागावरील दोष कमी करण्यासाठी शोधल्या जात आहेत.

3. भविष्यातील दृष्टीकोन:

SiC क्रिस्टल ग्रोथ आणि वेफर प्रोसेसिंग ऑप्टिमाइझ करणे व्यापक SiC दत्तक घेण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे. या आश्वासक सेमीकंडक्टर सामग्रीची पूर्ण क्षमता अनलॉक करण्यासाठी वाढीचा दर वाढवणे, क्रिस्टल गुणवत्ता सुधारणे आणि वेफर प्रक्रिया कार्यक्षमता वाढवणे यावर भविष्यातील संशोधन लक्ष केंद्रित करेल.**