সিলিকন কার্বাইডের প্রযুক্তিগত বাধাগুলো কী কী?Ⅱ

স্থিতিশীল কর্মক্ষমতা সহ উচ্চ-মানের সিলিকন কার্বাইড ওয়েফার স্থিরভাবে ব্যাপক উৎপাদনের ক্ষেত্রে প্রযুক্তিগত অসুবিধাগুলোর মধ্যে রয়েছে:

১) যেহেতু স্ফটিকগুলিকে ২০০০°C-এর বেশি তাপমাত্রার একটি আবদ্ধ পরিবেশে বৃদ্ধি পেতে হয়, তাই তাপমাত্রা নিয়ন্ত্রণের প্রয়োজনীয়তা অত্যন্ত বেশি;
২) যেহেতু সিলিকন কার্বাইডের ২০০টিরও বেশি ক্রিস্টাল কাঠামো রয়েছে, কিন্তু শুধুমাত্র একক-ক্রিস্টাল সিলিকন কার্বাইডের কয়েকটি কাঠামোই প্রয়োজনীয় সেমিকন্ডাক্টর উপাদান, তাই ক্রিস্টাল বৃদ্ধির প্রক্রিয়া চলাকালীন সিলিকন-থেকে-কার্বনের অনুপাত, বৃদ্ধির তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্ট এবং ক্রিস্টাল বৃদ্ধিকে নির্ভুলভাবে নিয়ন্ত্রণ করতে হয়। এর মধ্যে গতি এবং বায়ু প্রবাহের চাপের মতো প্যারামিটারগুলোও অন্তর্ভুক্ত;
৩) বাষ্পীয় দশা সঞ্চালন পদ্ধতির অধীনে, সিলিকন কার্বাইড স্ফটিকের ব্যাস প্রসারণ প্রযুক্তি অত্যন্ত কঠিন;
৪) সিলিকন কার্বাইডের কাঠিন্য হীরার কাছাকাছি, এবং একে কাটা, ঘষা ও পালিশ করা কঠিন।

SiC এপিটেক্সিয়াল ওয়েফার সাধারণত কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন (CVD) পদ্ধতিতে তৈরি করা হয়। বিভিন্ন ডোপিং প্রকারভেদের উপর ভিত্তি করে, এগুলোকে এন-টাইপ এবং পি-টাইপ এপিটেক্সিয়াল ওয়েফারে ভাগ করা হয়। দেশীয় হানতিয়ান তিয়ানচেং এবং ডংগুয়ান তিয়ানইউ ইতোমধ্যেই ৪-ইঞ্চি/৬-ইঞ্চি SiC এপিটেক্সিয়াল ওয়েফার সরবরাহ করতে পারে। SiC এপিটেক্সির ক্ষেত্রে, উচ্চ-ভোল্টেজ ক্ষেত্র নিয়ন্ত্রণ করা কঠিন, এবং SiC এপিটেক্সির গুণমান SiC ডিভাইসগুলোর উপর একটি বড় প্রভাব ফেলে। অধিকন্তু, এপিটেক্সিয়াল সরঞ্জামগুলো এই শিল্পের চারটি শীর্ষস্থানীয় কোম্পানির একচেটিয়া নিয়ন্ত্রণে রয়েছে: অ্যাক্সিট্রন, এলপিই, টিইএল এবং নুফ্লেয়ার।

সিলিকন কার্বাইড এপিট্যাক্সিয়ালওয়েফার বলতে এমন একটি সিলিকন কার্বাইড ওয়েফারকে বোঝায়, যার উপর মূল সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের উপর নির্দিষ্ট কিছু শর্ত পূরণকারী এবং সাবস্ট্রেট ক্রিস্টালের অনুরূপ একটি একক ক্রিস্টাল ফিল্ম (এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ার) তৈরি করা হয়। এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথের জন্য প্রধানত CVD (কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন) বা MBE (মলিকিউলার বিম এপিট্যাক্সি) সরঞ্জাম ব্যবহার করা হয়। যেহেতু সিলিকন কার্বাইড ডিভাইসগুলো সরাসরি এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ারের উপর তৈরি করা হয়, তাই এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ারের গুণমান ডিভাইসের কার্যক্ষমতা এবং উৎপাদনকে সরাসরি প্রভাবিত করে। ডিভাইসের ভোল্টেজ সহ্য করার ক্ষমতা যত বাড়তে থাকে, সংশ্লিষ্ট এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ারের পুরুত্বও তত বাড়তে থাকে এবং এর নিয়ন্ত্রণ আরও কঠিন হয়ে পড়ে। সাধারণত, যখন ভোল্টেজ প্রায় ৬০০ ভোল্ট হয়, তখন প্রয়োজনীয় এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ারের পুরুত্ব প্রায় ৬ মাইক্রন হয়; যখন ভোল্টেজ ১২০০-১৭০০ ভোল্টের মধ্যে থাকে, তখন প্রয়োজনীয় এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ারের পুরুত্ব ১০-১৫ মাইক্রন পর্যন্ত পৌঁছায়। যদি ভোল্টেজ ১০,০০০ ভোল্টের বেশি হয়, তবে ১০০ মাইক্রনের বেশি পুরুত্বের এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ারের প্রয়োজন হতে পারে। এপিটেক্সিয়াল স্তরের পুরুত্ব ক্রমাগত বাড়তে থাকলে, এর পুরুত্ব ও রোধের সমরূপতা এবং ত্রুটির ঘনত্ব নিয়ন্ত্রণ করা ক্রমশ কঠিন হয়ে পড়ে।

SiC ডিভাইস: আন্তর্জাতিকভাবে, 600~1700V SiC SBD এবং MOSFET-এর শিল্পায়ন হয়েছে। মূলধারার পণ্যগুলো 1200V-এর কম ভোল্টেজ স্তরে কাজ করে এবং প্রধানত TO প্যাকেজিং ব্যবহার করে। মূল্যের দিক থেকে, আন্তর্জাতিক বাজারে SiC পণ্যের দাম তাদের Si সমকক্ষদের তুলনায় প্রায় ৫-৬ গুণ বেশি। তবে, দাম বার্ষিক ১০% হারে কমছে। আগামী ২-৩ বছরে কাঁচামাল এবং ডিভাইস উৎপাদনের প্রসারের সাথে সাথে বাজারে সরবরাহ বাড়বে, যার ফলে দাম আরও কমবে। আশা করা যায় যে, যখন দাম Si পণ্যের ২-৩ গুণ হবে, তখন সিস্টেমের খরচ হ্রাস এবং উন্নত পারফরম্যান্সের সুবিধাগুলো ধীরে ধীরে SiC-কে Si ডিভাইসের বাজার দখল করতে চালিত করবে।
প্রচলিত প্যাকেজিং সিলিকন-ভিত্তিক সাবস্ট্রেটের উপর ভিত্তি করে তৈরি, যেখানে তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলির জন্য একটি সম্পূর্ণ নতুন নকশার প্রয়োজন। ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ পাওয়ার ডিভাইসগুলির জন্য প্রচলিত সিলিকন-ভিত্তিক প্যাকেজিং কাঠামো ব্যবহার করলে ফ্রিকোয়েন্সি, থার্মাল ম্যানেজমেন্ট এবং নির্ভরযোগ্যতা সম্পর্কিত নতুন সমস্যা ও চ্যালেঞ্জ দেখা দিতে পারে। SiC পাওয়ার ডিভাইসগুলি প্যারাসাইটিক ক্যাপাসিট্যান্স এবং ইন্ডাকট্যান্সের প্রতি বেশি সংবেদনশীল। Si ডিভাইসের তুলনায়, SiC পাওয়ার চিপগুলির সুইচিং গতি বেশি, যা ওভারশুট, অসিলেশন, বর্ধিত সুইচিং লস এবং এমনকি ডিভাইসের ত্রুটির কারণ হতে পারে। এছাড়াও, SiC পাওয়ার ডিভাইসগুলি উচ্চ তাপমাত্রায় কাজ করে, যার জন্য আরও উন্নত থার্মাল ম্যানেজমেন্ট কৌশলের প্রয়োজন হয়।

ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর পাওয়ার প্যাকেজিংয়ের ক্ষেত্রে বিভিন্ন ধরনের কাঠামো তৈরি করা হয়েছে। প্রচলিত সিলিকন-ভিত্তিক পাওয়ার মডিউল প্যাকেজিং এখন আর উপযুক্ত নয়। প্রচলিত সিলিকন-ভিত্তিক পাওয়ার মডিউল প্যাকেজিংয়ের উচ্চ প্যারাসাইটিক প্যারামিটার এবং দুর্বল তাপ অপচয় দক্ষতার সমস্যা সমাধানের জন্য, সিলিকন কার্বাইড (SiC) পাওয়ার মডিউল প্যাকেজিং তার কাঠামোতে ওয়্যারলেস ইন্টারকানেকশন এবং ডাবল-সাইড কুলিং প্রযুক্তি গ্রহণ করে। এছাড়াও, উন্নত তাপ পরিবাহিতা সম্পন্ন সাবস্ট্রেট উপাদান ব্যবহার করা হয় এবং মডিউলের কাঠামোর মধ্যে ডিকাপলিং ক্যাপাসিটর, তাপমাত্রা/কারেন্ট সেন্সর এবং ড্রাইভ সার্কিট একীভূত করার চেষ্টা করা হয়েছে, যার ফলে বিভিন্ন ধরনের মডিউল প্যাকেজিং প্রযুক্তি তৈরি হয়েছে। অধিকন্তু, সিলিকন কার্বাইড ডিভাইস উৎপাদনে উচ্চ প্রযুক্তিগত বাধা রয়েছে এবং এর উৎপাদন খরচও বেশি।

সিভিডির মাধ্যমে একটি সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের উপর এপিট্যাক্সিয়াল স্তর জমা করে সিলিকন কার্বাইড ডিভাইস তৈরি করা হয়। এই প্রক্রিয়ার মধ্যে রয়েছে পরিষ্কারকরণ, জারণ, ফটোলিথোগ্রাফি, এচিং, ফটোরেজিস্ট অপসারণ, আয়ন ইমপ্লান্টেশন, সিলিকন নাইট্রাইডের রাসায়নিক বাষ্প জমা, পলিশিং, স্পাটারিং এবং SiC একক স্ফটিক সাবস্ট্রেটের উপর ডিভাইসের কাঠামো গঠনের জন্য পরবর্তী বিভিন্ন প্রক্রিয়াকরণ ধাপ। SiC পাওয়ার ডিভাইসের প্রধান প্রকারগুলির মধ্যে রয়েছে SiC ডায়োড, SiC ট্রানজিস্টর এবং SiC পাওয়ার মডিউল। কাঁচামাল উৎপাদনের ধীর গতি এবং কম উৎপাদন হারের মতো কারণগুলির জন্য সিলিকন কার্বাইড ডিভাইসের উৎপাদন খরচ তুলনামূলকভাবে বেশি।

এছাড়াও, সিলিকন কার্বাইড ডিভাইস তৈরিতে কিছু প্রযুক্তিগত অসুবিধা রয়েছে:

১) সিলিকন কার্বাইড উপাদানের বৈশিষ্ট্যের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ একটি নির্দিষ্ট প্রক্রিয়া তৈরি করা প্রয়োজন। উদাহরণস্বরূপ: SiC-এর গলনাঙ্ক বেশি, যার কারণে প্রচলিত তাপীয় ব্যাপন পদ্ধতি অকার্যকর। এক্ষেত্রে আয়ন ইমপ্লান্টেশন ডোপিং পদ্ধতি ব্যবহার করা এবং তাপমাত্রা, উত্তাপের হার, সময়কাল ও গ্যাস প্রবাহের মতো প্যারামিটারগুলো সঠিকভাবে নিয়ন্ত্রণ করা প্রয়োজন; SiC রাসায়নিক দ্রাবকের প্রতি নিষ্ক্রিয়। এক্ষেত্রে ড্রাই এচিং-এর মতো পদ্ধতি ব্যবহার করা উচিত এবং মাস্কের উপাদান, গ্যাসের মিশ্রণ, পার্শ্বপ্রাচীরের ঢাল নিয়ন্ত্রণ, এচিং-এর হার, পার্শ্বপ্রাচীরের অমসৃণতা ইত্যাদি অপ্টিমাইজ ও উন্নত করা প্রয়োজন;
২) সিলিকন কার্বাইড ওয়েফারে ধাতব ইলেকট্রোড তৈরির জন্য 10⁻⁵Ω²-এর কম সংযোগ রোধ প্রয়োজন। যে ইলেকট্রোড উপাদানগুলো এই শর্ত পূরণ করে, যেমন Ni এবং Al, সেগুলোর ১০০°C-এর উপরে তাপীয় স্থিতিশীলতা দুর্বল, কিন্তু Al/Ni-এর তাপীয় স্থিতিশীলতা তুলনামূলকভাবে ভালো। /W/Au যৌগিক ইলেকট্রোড উপাদানের সংযোগ নির্দিষ্ট রোধ 10⁻³Ω² বেশি;
৩) SiC-এর কাটিং ক্ষয় অনেক বেশি এবং এর কাঠিন্য হীরার পরেই দ্বিতীয়, যা কাটিং, গ্রাইন্ডিং, পলিশিং এবং অন্যান্য প্রযুক্তির ক্ষেত্রে উচ্চতর প্রয়োজনীয়তা তৈরি করে।

তাছাড়া, ট্রেঞ্চ সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইস তৈরি করা আরও কঠিন। ডিভাইসের বিভিন্ন গঠন অনুসারে, সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসগুলোকে প্রধানত প্ল্যানার ডিভাইস এবং ট্রেঞ্চ ডিভাইসে ভাগ করা যায়। প্ল্যানার সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসগুলোর ইউনিট সামঞ্জস্যতা ভালো এবং উৎপাদন প্রক্রিয়া সহজ, কিন্তু এগুলোতে JFET এফেক্ট হওয়ার প্রবণতা থাকে এবং এদের প্যারাসাইটিক ক্যাপাসিট্যান্স ও অন-স্টেট রেজিস্ট্যান্স বেশি থাকে। প্ল্যানার ডিভাইসের তুলনায়, ট্রেঞ্চ সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসগুলোর ইউনিট সামঞ্জস্যতা কম এবং উৎপাদন প্রক্রিয়া আরও জটিল। তবে, ট্রেঞ্চ গঠনটি ডিভাইসের ইউনিট ঘনত্ব বাড়াতে সহায়ক এবং এতে JFET এফেক্ট হওয়ার সম্ভাবনা কম, যা চ্যানেল মোবিলিটির সমস্যা সমাধানে সহায়ক। এর চমৎকার কিছু বৈশিষ্ট্য রয়েছে, যেমন কম অন-রেজিস্ট্যান্স, কম প্যারাসাইটিক ক্যাপাসিট্যান্স এবং কম সুইচিং শক্তি খরচ। এর উল্লেখযোগ্য ব্যয় ও কার্যক্ষমতার সুবিধা রয়েছে এবং এটি সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসের উন্নয়নের মূলধারায় পরিণত হয়েছে। রোহম-এর অফিসিয়াল ওয়েবসাইট অনুসারে, ROHM Gen3 স্ট্রাকচার (Gen1 ট্রেঞ্চ স্ট্রাকচার)-এর চিপ এরিয়া Gen2 (প্ল্যানার২) চিপ এরিয়ার মাত্র ৭৫%, এবং একই চিপ সাইজে ROHM Gen3 স্ট্রাকচারের অন-রেজিস্ট্যান্স ৫০% হ্রাস পায়।

সিলিকন কার্বাইড ডিভাইসের উৎপাদন খরচের যথাক্রমে ৪৭%, ২৩%, ১৯%, ৬% এবং ৫% ব্যয় হয় সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেট, এপিট্যাক্সি, ফ্রন্ট-এন্ড, গবেষণা ও উন্নয়ন (R&D) খরচ এবং অন্যান্য খাতে।

অবশেষে, আমরা সিলিকন কার্বাইড শিল্প শৃঙ্খলে সাবস্ট্রেটের প্রযুক্তিগত বাধাগুলো দূর করার উপর মনোযোগ দেব।

সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের উৎপাদন প্রক্রিয়া সিলিকন-ভিত্তিক সাবস্ট্রেটের মতোই, তবে এটি আরও কঠিন।
সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের উৎপাদন প্রক্রিয়ার মধ্যে সাধারণত কাঁচামাল সংশ্লেষণ, ক্রিস্টাল গ্রোথ, ইনগট প্রক্রিয়াকরণ, ইনগট কাটিং, ওয়েফার গ্রাইন্ডিং, পলিশিং, ক্লিনিং এবং অন্যান্য ধাপ অন্তর্ভুক্ত থাকে।
স্ফটিক বৃদ্ধির পর্যায়টি সমগ্র প্রক্রিয়ার মূল কেন্দ্রবিন্দু, এবং এই ধাপটি সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ করে।

সাধারণ পরিস্থিতিতে তরল দশায় সিলিকন কার্বাইড উপাদান তৈরি করা কঠিন। বর্তমানে বাজারে প্রচলিত বাষ্পীয় দশার বৃদ্ধি পদ্ধতিতে তাপমাত্রা ২৩০০°C-এর বেশি থাকে এবং এই তাপমাত্রার সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ প্রয়োজন। পুরো কার্যপ্রক্রিয়াটি পর্যবেক্ষণ করা প্রায় অসম্ভব। সামান্য ভুলের কারণে উৎপাদিত পণ্য বাতিল করতে হতে পারে। এর তুলনায়, সিলিকন উপাদানের জন্য মাত্র ১৬০০℃ তাপমাত্রা প্রয়োজন, যা অনেক কম। সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেট প্রস্তুত করার ক্ষেত্রেও ধীর ক্রিস্টাল বৃদ্ধি এবং উচ্চ ক্রিস্টাল আকারের প্রয়োজনীয়তার মতো অসুবিধা রয়েছে। সিলিকন কার্বাইড ওয়েফার তৈরি করতে প্রায় ৭ থেকে ১০ দিন সময় লাগে, যেখানে সিলিকন রড টানতে মাত্র আড়াই দিন সময় লাগে। তাছাড়া, সিলিকন কার্বাইড এমন একটি উপাদান যার কাঠিন্য হীরার পরেই দ্বিতীয়। কাটিং, গ্রাইন্ডিং এবং পলিশিংয়ের সময় এর অনেক ক্ষয় হয় এবং এর উৎপাদন হার মাত্র ৬০%।

আমরা জানি যে সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের আকার বৃদ্ধি করার একটি প্রবণতা রয়েছে, এবং আকার ক্রমাগত বাড়ার সাথে সাথে ব্যাস সম্প্রসারণ প্রযুক্তির প্রয়োজনীয়তাও ক্রমশ বাড়ছে। ক্রিস্টালের পুনরাবৃত্তিমূলক বৃদ্ধি অর্জনের জন্য বিভিন্ন প্রযুক্তিগত নিয়ন্ত্রণ উপাদানের একটি সমন্বয় প্রয়োজন।