সেমিকন্ডাক্টর ক্ষেত্রে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন SiC সিরামিকের চাহিদা ও প্রয়োগ

বর্তমানে,সিলিকন কার্বাইড (SiC)SiC হলো একটি তাপ পরিবাহী সিরামিক উপাদান যা দেশে ও বিদেশে ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা হচ্ছে। SiC-এর তাত্ত্বিক তাপ পরিবাহিতা অত্যন্ত বেশি, এবং এর কিছু স্ফটিক রূপ ২৭০ ওয়াট/মিটার-কেলভিন (W/mK) পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে, যা অপরিবাহী পদার্থগুলোর মধ্যে ইতিমধ্যেই শীর্ষস্থানে রয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের সাবস্ট্রেট উপাদান, উচ্চ তাপ পরিবাহী সিরামিক উপাদান, সেমিকন্ডাক্টর প্রক্রিয়াকরণের জন্য হিটার ও হিটিং প্লেট, পারমাণবিক জ্বালানির ক্যাপসুল উপাদান এবং কম্প্রেসার পাম্পের গ্যাস সিলিং রিং-এ SiC-এর তাপ পরিবাহিতার প্রয়োগ দেখা যায়।

প্রয়োগসিলিকন কার্বাইডসেমিকন্ডাক্টর ক্ষেত্রে

সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে সিলিকন ওয়েফার উৎপাদনের জন্য গ্রাইন্ডিং ডিস্ক এবং ফিক্সচার গুরুত্বপূর্ণ প্রসেস সরঞ্জাম। গ্রাইন্ডিং ডিস্ক যদি ঢালাই লোহা বা কার্বন স্টিলের তৈরি হয়, তবে এর কার্যকাল কম হয় এবং এর তাপীয় প্রসারণ সহগ বেশি থাকে। সিলিকন ওয়েফার প্রক্রিয়াকরণের সময়, বিশেষ করে উচ্চ-গতির গ্রাইন্ডিং বা পলিশিংয়ের সময়, গ্রাইন্ডিং ডিস্কের ক্ষয় এবং তাপীয় বিকৃতির কারণে সিলিকন ওয়েফারের সমতলতা এবং সমান্তরালতা নিশ্চিত করা কঠিন হয়ে পড়ে।সিলিকন কার্বাইড সিরামিকএর উচ্চ কাঠিন্যের কারণে এর ক্ষয় কম হয়, এবং এর তাপীয় প্রসারণ সহগ মূলত সিলিকন ওয়েফারের সমান, তাই এটিকে উচ্চ গতিতে ঘষা ও পালিশ করা যায়।

এছাড়াও, সিলিকন ওয়েফার উৎপাদনের সময় সেগুলোকে উচ্চ-তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণের মধ্য দিয়ে যেতে হয় এবং প্রায়শই সিলিকন কার্বাইড ফিক্সচার ব্যবহার করে পরিবহন করা হয়। এগুলো তাপ-প্রতিরোধী এবং ক্ষতিহীন। কর্মক্ষমতা বাড়াতে, ওয়েফারের ক্ষতি কমাতে এবং দূষণের বিস্তার রোধ করতে এর পৃষ্ঠে ডায়মন্ড-লাইক কার্বন (ডিএলসি) এবং অন্যান্য আবরণ প্রয়োগ করা যেতে পারে।

এছাড়াও, তৃতীয় প্রজন্মের প্রশস্ত-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপাদানের প্রতিনিধি হিসেবে, সিলিকন কার্বাইড একক স্ফটিক উপাদানের কিছু বৈশিষ্ট্য রয়েছে, যেমন—বৃহৎ ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ (Si-এর প্রায় ৩ গুণ), উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (Si-এর প্রায় ৩.৩ গুণ বা GaAs-এর ১০ গুণ), উচ্চ ইলেকট্রন স্যাচুরেশন মাইগ্রেশন হার (Si-এর প্রায় ২.৫ গুণ) এবং উচ্চ ব্রেকডাউন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র (Si-এর প্রায় ১০ গুণ বা GaAs-এর ৫ গুণ)। SiC ডিভাইসগুলো বাস্তব প্রয়োগে প্রচলিত সেমিকন্ডাক্টর উপাদানের ডিভাইসের ত্রুটিগুলো পূরণ করে এবং ক্রমশ পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টরের মূলধারায় পরিণত হচ্ছে।

উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের চাহিদা ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে।

বিজ্ঞান ও প্রযুক্তির ক্রমাগত বিকাশের সাথে সাথে সেমিকন্ডাক্টর ক্ষেত্রে সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের প্রয়োগের চাহিদা ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে, এবং উচ্চ তাপ পরিবাহিতা হলো সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদন সরঞ্জামের উপাদানগুলিতে এর প্রয়োগের একটি মূল সূচক। অতএব, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের উপর গবেষণা জোরদার করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। ল্যাটিস অক্সিজেনের পরিমাণ কমানো, ঘনত্ব বৃদ্ধি করা এবং ল্যাটিসে দ্বিতীয় পর্যায়ের বন্টনকে যুক্তিসঙ্গতভাবে নিয়ন্ত্রণ করাই হলো সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার প্রধান পদ্ধতি।

বর্তমানে আমার দেশে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের উপর গবেষণা খুব কম, এবং বিশ্বমানের তুলনায় এখনও একটি বড় ব্যবধান রয়েছে। ভবিষ্যৎ গবেষণার দিকনির্দেশনাগুলো হলো:
●সিলিকন কার্বাইড সিরামিক পাউডারের প্রস্তুতি প্রক্রিয়া নিয়ে গবেষণা জোরদার করা। উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন সিলিকন কার্বাইড সিরামিক তৈরির ভিত্তি হলো উচ্চ-বিশুদ্ধতা ও স্বল্প-অক্সিজেনযুক্ত সিলিকন কার্বাইড পাউডারের প্রস্তুতি;
● সিন্টারিং সহায়ক উপকরণের নির্বাচন এবং এ সংক্রান্ত তাত্ত্বিক গবেষণা জোরদার করা;
●উচ্চমানের সিন্টারিং সরঞ্জামের গবেষণা ও উন্নয়ন জোরদার করা। সিন্টারিং প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণের মাধ্যমে একটি যুক্তিসঙ্গত অণুসজ্জা অর্জন করা উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন সিলিকন কার্বাইড সিরামিক পাওয়ার জন্য একটি অপরিহার্য শর্ত।

সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার উপায়সমূহ

SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার মূল উপায় হলো ফোনন বিক্ষেপণ কম্পাঙ্ক হ্রাস করা এবং ফোনন গড় মুক্ত পথ বৃদ্ধি করা। SiC সিরামিকের ছিদ্রতা ও দানা সীমানার ঘনত্ব হ্রাস করে, SiC দানা সীমানার বিশুদ্ধতা বাড়িয়ে, SiC ল্যাটিসের অশুদ্ধি বা ল্যাটিস ত্রুটি কমিয়ে এবং SiC-তে তাপ প্রবাহ সঞ্চালন বাহক বৃদ্ধি করে SiC-এর তাপ পরিবাহিতা কার্যকরভাবে উন্নত করা যায়। বর্তমানে, সিন্টারিং সহায়কের ধরন ও পরিমাণ অপ্টিমাইজ করা এবং উচ্চ-তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণই হলো SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার প্রধান উপায়।

① সিন্টারিং সহায়কের প্রকার ও উপাদানের সর্বোত্তমকরণ

উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন SiC সিরামিক প্রস্তুত করার সময় প্রায়শই বিভিন্ন সিন্টারিং সহায়ক যোগ করা হয়। এদের মধ্যে, সিন্টারিং সহায়কের ধরন এবং পরিমাণ SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতার উপর ব্যাপক প্রভাব ফেলে। উদাহরণস্বরূপ, Al2O3 সিস্টেমের সিন্টারিং সহায়কে থাকা Al বা O মৌলগুলো সহজেই SiC ল্যাটিসে দ্রবীভূত হয়ে যায়, যার ফলে শূন্যস্থান (vacancy) এবং ত্রুটি (defect) সৃষ্টি হয়, যা ফোনন স্ক্যাটারিং ফ্রিকোয়েন্সি (phonon scattering frequency) বৃদ্ধি করে। এছাড়াও, সিন্টারিং সহায়কের পরিমাণ কম হলে উপাদানটির সিন্টারিং এবং ঘনীভবন কঠিন হয়ে পড়ে, অন্যদিকে সিন্টারিং সহায়কের উচ্চ পরিমাণ অশুদ্ধি এবং ত্রুটি বৃদ্ধি করে। অতিরিক্ত তরল দশার সিন্টারিং সহায়ক SiC কণার বৃদ্ধিকেও বাধা দিতে পারে এবং ফোননের গড় মুক্ত পথ (mean free path) কমিয়ে দিতে পারে। অতএব, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন SiC সিরামিক প্রস্তুত করার জন্য, সিন্টারিং ঘনত্বের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করার পাশাপাশি সিন্টারিং সহায়কের পরিমাণ যতটা সম্ভব কমানো প্রয়োজন, এবং এমন সিন্টারিং সহায়ক বেছে নেওয়ার চেষ্টা করতে হবে যা SiC ল্যাটিসে সহজে দ্রবীভূত হয় না।

বিভিন্ন সিন্টারিং সহায়ক যোগ করা হলে SiC সিরামিকের তাপীয় বৈশিষ্ট্য

বর্তমানে, সিন্টারিং সহায়ক হিসেবে BeO ব্যবহার করে হট-প্রেসড SiC সিরামিকের কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা সর্বোচ্চ (২৭০ ওয়াট·মিটার⁻¹·কেলভিন⁻¹)। তবে, BeO একটি অত্যন্ত বিষাক্ত এবং ক্যান্সার সৃষ্টিকারী পদার্থ, এবং এটি গবেষণাগার বা শিল্পক্ষেত্রে ব্যাপক প্রয়োগের জন্য উপযুক্ত নয়। Y₂O₃-Al₂O₃ সিস্টেমের সর্বনিম্ন ইউটেক্টিক বিন্দু হলো ১৭৬০℃, যা SiC সিরামিকের জন্য একটি সাধারণ তরল-দশা সিন্টারিং সহায়ক। তবে, যেহেতু Al³⁺ সহজেই SiC ল্যাটিসে দ্রবীভূত হয়ে যায়, তাই এই সিস্টেমটি সিন্টারিং সহায়ক হিসেবে ব্যবহার করলে SiC সিরামিকের কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা ২০০ ওয়াট·মিটার⁻¹·কেলভিন⁻¹-এর চেয়ে কম হয়।

Y, Sm, Sc, Gd এবং La-এর মতো বিরল মৃত্তিকা মৌলগুলো SiC ল্যাটিসে সহজে দ্রবণীয় নয় এবং এদের অক্সিজেনের প্রতি উচ্চ আকর্ষণ রয়েছে, যা SiC ল্যাটিসের অক্সিজেনের পরিমাণ কার্যকরভাবে কমাতে পারে। তাই, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (>200 W·m-1·K-1) সম্পন্ন SiC সিরামিক তৈরির জন্য Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) সিস্টেম একটি সাধারণ সিন্টারিং সহায়ক। Y2O3-Sc2O3 সিস্টেমের সিন্টারিং সহায়ককে উদাহরণ হিসেবে নিলে, Y3+ এবং Si4+-এর আয়ন বিচ্যুতির মান অনেক বেশি এবং এই দুটি কঠিন দ্রবণ গঠন করে না। 1800~2600℃ তাপমাত্রায় বিশুদ্ধ SiC-তে Sc-এর দ্রবণীয়তা কম, প্রায় (2~3)×1017 পরমাণু·cm-3।

২ উচ্চ তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণ

SiC সিরামিকের উচ্চ-তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণ ল্যাটিস ত্রুটি, স্থানচ্যুতি এবং অবশিষ্ট পীড়ন দূর করতে, কিছু অনিয়তাকার পদার্থের স্ফটিকে কাঠামোগত রূপান্তরকে ত্বরান্বিত করতে এবং ফোনন বিক্ষেপণ প্রভাবকে দুর্বল করতে সহায়ক। এছাড়াও, উচ্চ-তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণ কার্যকরভাবে SiC কণার বৃদ্ধিকে ত্বরান্বিত করতে পারে এবং পরিশেষে উপাদানটির তাপীয় বৈশিষ্ট্য উন্নত করে। উদাহরণস্বরূপ, ১৯৫০°C তাপমাত্রায় উচ্চ-তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণের পর, SiC সিরামিকের তাপীয় ব্যাপন সহগ ৮৩.০৩ মিমি²·সেকেন্ড⁻¹ থেকে বেড়ে ৮৯.৫০ মিমি²·সেকেন্ড⁻¹ হয়েছে এবং কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা ১৮০.৯৪ ওয়াট·মিটার⁻¹·কেলভিন⁻¹ থেকে বেড়ে ১৯২.১৭ ওয়াট·মিটার⁻¹·কেলভিন⁻¹ হয়েছে। উচ্চ-তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণ কার্যকরভাবে SiC পৃষ্ঠ এবং ল্যাটিসের উপর থাকা সিন্টারিং সহায়কের জারণ-বিয়োজন ক্ষমতা উন্নত করে এবং SiC কণাগুলোর মধ্যে সংযোগকে আরও দৃঢ় করে তোলে। উচ্চ-তাপমাত্রার তাপীয় প্রক্রিয়াকরণের পর, SiC সিরামিকের কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে।