सेमीकंडक्टर पार्ट्स – SiC लेपित ग्रेफाइट बेस

SiC लेपित ग्रेफाइट बेस का उपयोग आमतौर पर मेटल-ऑर्गेनिक केमिकल वेपर डिपोजिशन (MOCVD) उपकरणों में सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स को सहारा देने और गर्म करने के लिए किया जाता है। SiC लेपित ग्रेफाइट बेस की तापीय स्थिरता, तापीय एकरूपता और अन्य प्रदर्शन पैरामीटर एपिटैक्सियल सामग्री के विकास की गुणवत्ता में निर्णायक भूमिका निभाते हैं, इसलिए यह MOCVD उपकरणों का मुख्य घटक है।

वेफर निर्माण की प्रक्रिया में, उपकरणों के निर्माण को सुगम बनाने के लिए कुछ वेफर सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल परतें बनाई जाती हैं। विशिष्ट एलईडी प्रकाश उत्सर्जक उपकरणों के लिए सिलिकॉन सब्सट्रेट पर GaAs की एपिटैक्सियल परतें तैयार करना आवश्यक होता है; उच्च वोल्टेज, उच्च धारा और अन्य विद्युत अनुप्रयोगों के लिए SBD, MOSFET आदि जैसे उपकरणों के निर्माण हेतु चालक SiC सब्सट्रेट पर SiC एपिटैक्सियल परत विकसित की जाती है; संचार जैसे RF अनुप्रयोगों के लिए HEMT और अन्य उपकरणों के निर्माण हेतु अर्ध-अरोधित SiC सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल परत बनाई जाती है। यह प्रक्रिया CVD उपकरण से अविभाज्य है।

सीवीडी उपकरण में, सब्सट्रेट को सीधे धातु पर नहीं रखा जा सकता है या एपिटैक्सियल डिपोजिशन के लिए केवल एक बेस पर नहीं रखा जा सकता है, क्योंकि इसमें गैस प्रवाह (क्षैतिज, ऊर्ध्वाधर), तापमान, दबाव, स्थिरीकरण, प्रदूषकों का उत्सर्जन और अन्य कई कारक शामिल होते हैं। इसलिए, एक बेस की आवश्यकता होती है, और फिर सब्सट्रेट को डिस्क पर रखा जाता है, और फिर सीवीडी तकनीक का उपयोग करके सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल डिपोजिशन किया जाता है। यह बेस SiC लेपित ग्रेफाइट बेस (जिसे ट्रे भी कहा जाता है) होता है।

SiC लेपित ग्रेफाइट बेस का उपयोग आमतौर पर मेटल-ऑर्गेनिक केमिकल वेपर डिपोजिशन (MOCVD) उपकरणों में सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स को सहारा देने और गर्म करने के लिए किया जाता है। SiC लेपित ग्रेफाइट बेस की तापीय स्थिरता, तापीय एकरूपता और अन्य प्रदर्शन पैरामीटर एपिटैक्सियल सामग्री के विकास की गुणवत्ता में निर्णायक भूमिका निभाते हैं, इसलिए यह MOCVD उपकरणों का मुख्य घटक है।

मेटल-ऑर्गेनिक केमिकल वेपर डिपोजिशन (एमओसीवीडी) नीली एलईडी में GaN फिल्मों के एपिटैक्सियल विकास के लिए प्रमुख तकनीक है। इसके कई फायदे हैं, जैसे सरल संचालन, नियंत्रित विकास दर और GaN फिल्मों की उच्च शुद्धता। एमओसीवीडी उपकरण के रिएक्शन चैंबर में एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में, GaN फिल्म एपिटैक्सियल विकास के लिए उपयोग किए जाने वाले बेयरिंग बेस में उच्च तापमान प्रतिरोध, एकसमान तापीय चालकता, अच्छी रासायनिक स्थिरता, मजबूत तापीय झटके के प्रति प्रतिरोध आदि गुण होने चाहिए। ग्रेफाइट सामग्री इन सभी शर्तों को पूरा करती है।

एमओसीवीडी उपकरण के मुख्य घटकों में से एक के रूप में, ग्रेफाइट बेस सब्सट्रेट का वाहक और ताप निकाय है, जो फिल्म सामग्री की एकरूपता और शुद्धता को सीधे निर्धारित करता है, इसलिए इसकी गुणवत्ता सीधे एपिटैक्सियल शीट की तैयारी को प्रभावित करती है, और साथ ही, उपयोग की संख्या में वृद्धि और कार्य स्थितियों में बदलाव के साथ, यह बहुत आसानी से घिस जाता है, और उपभोज्य पदार्थों की श्रेणी में आता है।

हालांकि ग्रेफाइट में उत्कृष्ट तापीय चालकता और स्थिरता होती है, इसलिए MOCVD उपकरणों के आधार घटक के रूप में इसका अच्छा लाभ है, लेकिन उत्पादन प्रक्रिया में, संक्षारक गैसों और धात्विक कार्बनिक पदार्थों के अवशेषों के कारण ग्रेफाइट पाउडर में जंग लग जाती है, जिससे ग्रेफाइट आधार का सेवा जीवन काफी कम हो जाता है। साथ ही, गिरने वाला ग्रेफाइट पाउडर चिप को प्रदूषित करता है।

कोटिंग तकनीक के उद्भव से सतह पर पाउडर का स्थिरीकरण, तापीय चालकता में वृद्धि और ऊष्मा वितरण में समानता संभव हो पाई है, जो इस समस्या के समाधान के लिए मुख्य तकनीक बन गई है। MOCVD उपकरण के उपयोग वातावरण में ग्रेफाइट आधारित सतह पर कोटिंग के लिए निम्नलिखित विशेषताएं आवश्यक हैं:

(1) ग्रेफाइट बेस को पूरी तरह से लपेटा जा सकता है, और घनत्व अच्छा है, अन्यथा ग्रेफाइट बेस संक्षारक गैस में आसानी से खराब हो जाता है।

(2) ग्रेफाइट बेस के साथ संयोजन शक्ति उच्च है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि कई उच्च तापमान और निम्न तापमान चक्रों के बाद कोटिंग आसानी से न गिरे।

(3) इसमें उच्च तापमान और संक्षारक वातावरण में कोटिंग की विफलता से बचने के लिए अच्छी रासायनिक स्थिरता है।

SiC में संक्षारण प्रतिरोध, उच्च तापीय चालकता, तापीय आघात प्रतिरोध और उच्च रासायनिक स्थिरता जैसे गुण होते हैं, और यह GaN एपिटैक्सियल वातावरण में अच्छी तरह से काम कर सकता है। इसके अलावा, SiC का तापीय विस्तार गुणांक ग्रेफाइट से बहुत कम भिन्न होता है, इसलिए SiC ग्रेफाइट बेस की सतह कोटिंग के लिए पसंदीदा सामग्री है।

वर्तमान में, सामान्य SiC मुख्य रूप से 3C, 4H और 6H प्रकार का होता है, और विभिन्न क्रिस्टल प्रकारों के SiC के उपयोग अलग-अलग होते हैं। उदाहरण के लिए, 4H-SiC से उच्च-शक्ति वाले उपकरण बनाए जा सकते हैं; 6H-SiC सबसे स्थिर होता है और इससे फोटोइलेक्ट्रिक उपकरण बनाए जा सकते हैं; GaN के समान संरचना होने के कारण, 3C-SiC का उपयोग GaN एपिटैक्सियल परत बनाने और SiC-GaN RF उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है। 3C-SiC को आमतौर पर β-SiC के नाम से भी जाना जाता है, और β-SiC का एक महत्वपूर्ण उपयोग फिल्म और कोटिंग सामग्री के रूप में होता है, इसलिए β-SiC वर्तमान में कोटिंग के लिए मुख्य सामग्री है।

सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग तैयार करने की विधि

वर्तमान में, SiC कोटिंग की तैयारी विधियों में मुख्य रूप से जेल-सोल विधि, एम्बेडिंग विधि, ब्रश कोटिंग विधि, प्लाज्मा स्प्रेइंग विधि, रासायनिक गैस प्रतिक्रिया विधि (CVR) और रासायनिक वाष्प जमाव विधि (CVD) शामिल हैं।

एम्बेडिंग विधि:

यह विधि उच्च तापमान ठोस चरण सिंटरिंग का एक प्रकार है, जिसमें मुख्य रूप से Si पाउडर और C पाउडर के मिश्रण को एम्बेडिंग पाउडर के रूप में उपयोग किया जाता है। ग्रेफाइट मैट्रिक्स को एम्बेडिंग पाउडर में रखा जाता है और अक्रिय गैस में उच्च तापमान सिंटरिंग की जाती है, जिसके परिणामस्वरूप ग्रेफाइट मैट्रिक्स की सतह पर SiC कोटिंग प्राप्त होती है। यह प्रक्रिया सरल है और कोटिंग तथा सब्सट्रेट का संयोजन अच्छा है, लेकिन मोटाई की दिशा में कोटिंग की एकरूपता कम होती है, जिससे अधिक छिद्र बनने की संभावना होती है और ऑक्सीकरण प्रतिरोध कम हो जाता है।

ब्रश कोटिंग विधि:

ब्रश कोटिंग विधि में मुख्य रूप से तरल कच्चे माल को ग्रेफाइट मैट्रिक्स की सतह पर ब्रश से लगाया जाता है, और फिर कोटिंग तैयार करने के लिए कच्चे माल को एक निश्चित तापमान पर सुखाया जाता है। यह प्रक्रिया सरल और कम खर्चीली है, लेकिन ब्रश कोटिंग विधि से तैयार की गई कोटिंग सब्सट्रेट के साथ कमजोर रूप से जुड़ती है, कोटिंग की एकरूपता खराब होती है, कोटिंग पतली होती है और ऑक्सीकरण प्रतिरोध कम होता है, इसलिए इसे बेहतर बनाने के लिए अन्य विधियों की आवश्यकता होती है।

प्लाज्मा स्प्रेइंग विधि:

प्लाज्मा स्प्रेइंग विधि में मुख्य रूप से पिघले हुए या अर्ध-पिघले कच्चे माल को प्लाज्मा गन की सहायता से ग्रेफाइट मैट्रिक्स की सतह पर स्प्रे किया जाता है, जिससे वह जम जाता है और आपस में जुड़कर एक परत बना लेता है। यह विधि संचालन में सरल है और इससे अपेक्षाकृत सघन सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग तैयार की जा सकती है, लेकिन इस विधि से तैयार की गई सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग अक्सर बहुत कमजोर होती है और इसकी ऑक्सीकरण प्रतिरोधक क्षमता कम होती है। इसलिए, कोटिंग की गुणवत्ता में सुधार के लिए आमतौर पर इसका उपयोग SiC कंपोजिट कोटिंग तैयार करने में किया जाता है।

जेल-सोल विधि:

जेल-सॉल विधि में मुख्य रूप से मैट्रिक्स की सतह को ढकने वाला एक समान और पारदर्शी सोल विलयन तैयार किया जाता है, जिसे सुखाकर जेल में परिवर्तित किया जाता है और फिर कोटिंग प्राप्त करने के लिए सिंटरिंग की जाती है। यह विधि संचालन में सरल और कम खर्चीली है, लेकिन इससे बनने वाली कोटिंग में कुछ कमियां हैं जैसे कि कम तापीय आघात प्रतिरोध और आसानी से दरार पड़ना, इसलिए इसका व्यापक उपयोग नहीं किया जा सकता है।

रासायनिक गैस अभिक्रिया (सीवीआर):

सीवीआर मुख्य रूप से उच्च तापमान पर SiO2 वाष्प उत्पन्न करने के लिए Si और SiO2 पाउडर का उपयोग करके SiC कोटिंग तैयार करता है, और C सामग्री सब्सट्रेट की सतह पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला होती है। इस विधि से तैयार SiC कोटिंग सब्सट्रेट से मजबूती से जुड़ी होती है, लेकिन प्रतिक्रिया तापमान अधिक होता है और लागत भी अधिक होती है।

रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी):

वर्तमान में, सब्सट्रेट सतह पर SiC कोटिंग तैयार करने के लिए CVD मुख्य तकनीक है। इस प्रक्रिया में सब्सट्रेट सतह पर गैसीय अवस्था में अभिकारक पदार्थों की कई भौतिक और रासायनिक अभिक्रियाएँ होती हैं, और अंत में सब्सट्रेट सतह पर SiC कोटिंग जमा करके तैयार की जाती है। CVD तकनीक से तैयार SiC कोटिंग सब्सट्रेट की सतह से मजबूती से जुड़ी होती है, जिससे सब्सट्रेट सामग्री की ऑक्सीकरण प्रतिरोधकता और अपघर्षक प्रतिरोधकता में प्रभावी रूप से सुधार होता है, लेकिन इस विधि में जमाव का समय अधिक लगता है और अभिक्रिया गैस में कुछ विषैली गैसें होती हैं।

SiC लेपित ग्रेफाइट बेस की बाजार स्थिति

जब विदेशी निर्माताओं ने शुरुआती दौर में प्रवेश किया, तो उन्हें स्पष्ट बढ़त और उच्च बाजार हिस्सेदारी प्राप्त हुई। अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, SiC लेपित ग्रेफाइट बेस के प्रमुख आपूर्तिकर्ता डच कंपनी Xycard, जर्मनी की SGL Carbon (SGL), जापान की Toyo Carbon, संयुक्त राज्य अमेरिका की MEMC और अन्य कंपनियां हैं, जो मूल रूप से अंतरराष्ट्रीय बाजार पर कब्जा रखती हैं। हालांकि चीन ने ग्रेफाइट मैट्रिक्स की सतह पर SiC कोटिंग की एकसमान वृद्धि की प्रमुख तकनीक में सफलता प्राप्त कर ली है, फिर भी उच्च गुणवत्ता वाले ग्रेफाइट मैट्रिक्स के लिए जर्मनी की SGL, जापान की Toyo Carbon और अन्य कंपनियों पर ही निर्भरता बनी हुई है। घरेलू कंपनियों द्वारा प्रदान किए गए ग्रेफाइट मैट्रिक्स की तापीय चालकता, प्रत्यास्थता मापांक, कठोरता मापांक, जाली दोष और अन्य गुणवत्ता संबंधी समस्याओं के कारण सेवा जीवन प्रभावित होता है। MOCVD उपकरण SiC लेपित ग्रेफाइट बेस के उपयोग की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकते।

चीन का सेमीकंडक्टर उद्योग तेजी से विकसित हो रहा है। एमओसीवीडी एपिटैक्सियल उपकरणों के स्थानीयकरण की दर में क्रमिक वृद्धि और अन्य प्रक्रिया अनुप्रयोगों के विस्तार के साथ, भविष्य में SiC लेपित ग्रेफाइट आधारित उत्पादों के बाजार में तेजी से वृद्धि होने की उम्मीद है। उद्योग के प्रारंभिक अनुमानों के अनुसार, घरेलू ग्रेफाइट आधारित बाजार अगले कुछ वर्षों में 50 करोड़ युआन से अधिक हो जाएगा।

SiC लेपित ग्रेफाइट बेस, मिश्रित अर्धचालक औद्योगीकरण उपकरणों का मुख्य घटक है। इसके उत्पादन और निर्माण की प्रमुख तकनीकी दक्षता में महारत हासिल करना और कच्चे माल-प्रक्रिया-उपकरण उद्योग श्रृंखला के संपूर्ण स्थानीयकरण को साकार करना, चीन के अर्धचालक उद्योग के विकास को सुनिश्चित करने के लिए अत्यंत रणनीतिक महत्व रखता है। घरेलू SiC लेपित ग्रेफाइट बेस का क्षेत्र तेजी से विकसित हो रहा है और उत्पाद की गुणवत्ता शीघ्र ही अंतरराष्ट्रीय उन्नत स्तर तक पहुंच सकती है।