एपिटैक्सियल परत एक विशिष्ट एकल-क्रिस्टल पतली फिल्म होती है जिसे एपिटैक्सियल प्रक्रिया द्वारा वेफर सब्सट्रेट पर उगाया जाता है; सब्सट्रेट वेफर और एपिटैक्सियल फिल्म को सामूहिक रूप से एपिटैक्सियल वेफर कहा जाता है। इनमें से, एक प्रवाहकीय सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल परत उगाने से एक समरूप सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल वेफर प्राप्त होता है, जिसे आगे चलकर शॉटकी डायोड, MOSFET और IGBT जैसे विद्युत उपकरणों में निर्मित किया जा सकता है। सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला सब्सट्रेट प्रकार 4H-SiC सब्सट्रेट है।
चूंकि लगभग सभी उपकरण एपिटैक्सियल परतों पर निर्मित होते हैं, इसलिए एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता उपकरण के प्रदर्शन पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालती है। हालांकि, एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता क्रिस्टल और सब्सट्रेट प्रसंस्करण से प्रभावित होती है, जिससे यह उद्योग में एक महत्वपूर्ण मोड़ पर आ जाती है और इसके विकास में अहम भूमिका निभाती है।
सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल परतें तैयार करने की प्राथमिक विधियों में वाष्प निक्षेपण (वेपर डिपोजिशन), तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई), आणविक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) और रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी) शामिल हैं। इनमें से, रासायनिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी) 4H-SiC समरूप एपिटैक्सी के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है। 4H-SiC सीवीडी एपिटैक्सी में आमतौर पर सीवीडी उपकरण का उपयोग किया जाता है, जो उच्च वृद्धि तापमान के तहत 4H-SiC क्रिस्टल संरचना की निरंतरता सुनिश्चित करता है।
सीवीडी उपकरण में, सब्सट्रेट को सीधे धातु की सतह पर नहीं रखा जा सकता है या एपिटैक्सियल डिपोजिशन के लिए केवल एक आधार पर नहीं रखा जा सकता है, क्योंकि इसमें गैस प्रवाह की दिशा (क्षैतिज, ऊर्ध्वाधर), तापमान, दबाव, स्थिरीकरण और कणों के झड़ने से होने वाले संदूषण जैसे कई कारक शामिल होते हैं। इसलिए, एक सहायक आधार की आवश्यकता होती है; सब्सट्रेट को एक ट्रे पर रखा जाता है, और फिर सीवीडी तकनीक का उपयोग करके सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल डिपोजिशन किया जाता है। यह सहायक आधार SiC-लेपित ग्रेफाइट आधार है।
एक मुख्य घटक के रूप में, ग्रेफाइट सब्सट्रेट में उच्च विशिष्ट शक्ति और विशिष्ट मापांक के साथ-साथ अच्छा थर्मल शॉक और संक्षारण प्रतिरोध होता है। हालांकि, उत्पादन के दौरान, संक्षारक गैसों और अवशिष्ट ऑर्गेनोमेटैलिक यौगिकों के कारण ग्रेफाइट में संक्षारण और पाउडर का झड़ना होता है, जिससे सब्सट्रेट का सेवा जीवन काफी कम हो जाता है। साथ ही, झड़ा हुआ ग्रेफाइट पाउडर चिप्स को दूषित कर सकता है। सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल वेफर्स के उत्पादन में, ग्रेफाइट सामग्री के लिए लगातार सख्त होती जा रही आवश्यकताओं को पूरा करना कठिन होता जा रहा है, जिससे उनके विकास और व्यावहारिक अनुप्रयोग पर गंभीर रूप से प्रतिबंध लग रहा है। परिणामस्वरूप,कोटिंग प्रौद्योगिकीएक समाधान के रूप में सामने आया है।
सेमीकंडक्टर उद्योग में SiC कोटिंग्स के लाभ
कोटिंग के भौतिक और रासायनिक गुणों को उच्च तापमान और संक्षारण प्रतिरोध के लिए सख्त आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए, क्योंकि ये उत्पाद की उपज और जीवनकाल को सीधे प्रभावित करते हैं। SiC सामग्री में उच्च शक्ति, उच्च कठोरता, कम तापीय विस्तार गुणांक और उत्कृष्ट तापीय चालकता होती है, जो इसे एक महत्वपूर्ण उच्च-तापमान संरचनात्मक और अर्धचालक सामग्री बनाती है। ग्रेफाइट सब्सट्रेट पर लागू होने पर, इसके लाभों में शामिल हैं:
1) SiC संक्षारण-प्रतिरोधी है और ग्रेफाइट सब्सट्रेट को पूरी तरह से घेर सकता है। इसका उच्च घनत्व संक्षारक गैसों से होने वाले नुकसान को रोकता है।
2) SiC में उच्च तापीय चालकता और ग्रेफाइट सब्सट्रेट के साथ मजबूत बंधन क्षमता होती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि बार-बार उच्च-निम्न तापमान चक्रों के बाद भी कोटिंग बरकरार रहती है।
3) SiC में उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता होती है, जो उच्च तापमान और संक्षारक वातावरण में कोटिंग की विफलता को रोकती है।
इसके अलावा, विभिन्न सामग्रियों से बने एपिटैक्सियल फर्नेस के लिए विशिष्ट प्रदर्शन विनिर्देशों वाली ग्रेफाइट ट्रे की आवश्यकता होती है। ग्रेफाइट सामग्री का तापीय विस्तार गुणांक एपिटैक्सियल फर्नेस के वृद्धि तापमान के अनुकूल होना चाहिए। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सी के लिए वृद्धि तापमान अधिक होने के कारण, तापीय विस्तार गुणांक के उच्च स्तर के अनुकूल ट्रे की आवश्यकता होती है। SiC का तापीय विस्तार गुणांक ग्रेफाइट से बहुत कम भिन्न होता है, जिससे यह ग्रेफाइट सब्सट्रेट की सतह पर कोटिंग के लिए पसंदीदा सामग्री बन जाता है।
SiC कई क्रिस्टलीय रूपों में पाया जाता है, जिनमें से वर्तमान में सबसे आम 3C, 4H और 6H प्रकार हैं, जिनमें से प्रत्येक का उपयोग अलग-अलग अनुप्रयोगों में होता है। उदाहरण के लिए, 4H-SiC का उपयोग उच्च-शक्ति वाले उपकरणों के निर्माण में किया जाता है; 6H-SiC सबसे स्थिर होता है और इसका उपयोग ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में किया जाता है; और 3C-SiC, GaN के साथ संरचनात्मक समानता के कारण, SiC-GaN RF उपकरणों के निर्माण के लिए GaN एपिटैक्सियल परतें बनाने में उपयोग किया जाता है। 3C-SiC को आमतौर पर β-SiC भी कहा जाता है। β-SiC का एक प्रमुख अनुप्रयोग पतली फिल्म और कोटिंग सामग्री के रूप में है; परिणामस्वरूप, β-SiC वर्तमान में कोटिंग्स के लिए उपयोग की जाने वाली प्राथमिक सामग्री है।
सेमीकंडक्टर उत्पादन में एक सामान्य उपभोज्य सामग्री के रूप में, SiC कोटिंग्स का उपयोग मुख्य रूप से सब्सट्रेट तैयार करने, एपिटैक्सी, ऑक्सीकरण और प्रसार, एचिंग और आयन इम्प्लांटेशन जैसी प्रक्रियाओं में किया जाता है। कोटिंग के भौतिक और रासायनिक गुणों को उच्च तापमान प्रतिरोध और संक्षारण प्रतिरोध की सख्त आवश्यकताओं को पूरा करना आवश्यक है, क्योंकि ये उत्पाद की उपज और जीवनकाल को सीधे प्रभावित करते हैं। इसलिए, SiC कोटिंग्स का निर्माण अत्यंत महत्वपूर्ण है।
सिलिकॉन कार्बाइड कोटिंग तैयार करने की प्रक्रिया
वर्तमान में, SiC कोटिंग तैयार करने की प्राथमिक विधियों में सोल-जेल विधि, एम्बेडिंग विधि, ब्रश कोटिंग, प्लाज्मा स्प्रेइंग, रासायनिक वाष्प प्रतिक्रिया (CVR) और रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) शामिल हैं।
एम्बेडिंग विधि
यह विधि उच्च तापमान ठोस-अवस्था सिंटरिंग का एक प्रकार है। इसमें मुख्य रूप से सिलिकॉन (Si) पाउडर और कार्बन (C) पाउडर के मिश्रण का उपयोग एम्बेडिंग पाउडर के रूप में किया जाता है। एम्बेडिंग पाउडर के भीतर एक ग्रेफाइट सब्सट्रेट रखा जाता है और अक्रिय गैस वातावरण में उच्च तापमान पर सिंटर किया जाता है, जिससे अंततः ग्रेफाइट सब्सट्रेट की सतह पर SiC कोटिंग बन जाती है। इस विधि की विशेषता सरल प्रक्रिया और कोटिंग तथा सब्सट्रेट के बीच अच्छा आसंजन है; हालांकि, कोटिंग मोटाई की दिशा में एकरूपता में कमी दर्शाती है और इसमें कई छिद्र बनने की संभावना होती है, जिसके परिणामस्वरूप ऑक्सीकरण प्रतिरोध कम हो जाता है।
ब्रश कोटिंग विधि
ब्रश कोटिंग विधि में मुख्य रूप से तरल कच्चे माल को ग्रेफाइट सब्सट्रेट की सतह पर लगाया जाता है, फिर कोटिंग बनाने के लिए सामग्री को एक विशिष्ट तापमान पर सुखाया जाता है। यह विधि सरल और किफायती है; हालांकि, इससे बनने वाली कोटिंग सब्सट्रेट से कमजोर रूप से चिपकती है, इसकी एकरूपता कम होती है और यह अपेक्षाकृत पतली होती है, साथ ही इसमें ऑक्सीकरण प्रतिरोध भी कम होता है, जिसके कारण अतिरिक्त विधियों की आवश्यकता होती है।
प्लाज्मा स्प्रेइंग विधि
प्लाज्मा स्प्रेइंग विधि में प्लाज्मा गन का उपयोग करके पिघले हुए या अर्ध-पिघले कच्चे माल को ग्रेफाइट सब्सट्रेट की सतह पर स्प्रे किया जाता है, जो बाद में जम जाता है और एक परत बनाकर जुड़ जाता है। यह विधि संचालन में सरल है और अपेक्षाकृत घनी सिलिकॉन कार्बाइड परतें तैयार कर सकती है; हालांकि, परिणामी परतें अक्सर बहुत पतली होती हैं, जिससे ऑक्सीकरण प्रतिरोध कम हो जाता है। इसलिए, कोटिंग की गुणवत्ता में सुधार के लिए आमतौर पर SiC कंपोजिट कोटिंग्स के निर्माण में इसका उपयोग किया जाता है।
जेल-सोल विधि
जेल-सोल विधि में मुख्य रूप से सब्सट्रेट सतह पर लेप लगाने के लिए एक समान, पारदर्शी सोल विलयन तैयार किया जाता है। जेल में सूखने के बाद, कोटिंग बनाने के लिए सामग्री को सिंटरिंग द्वारा संसाधित किया जाता है। यह विधि संचालन में सरल और अपेक्षाकृत कम खर्चीली है; हालांकि, इससे बनने वाली कोटिंग्स में कम तापीय आघात प्रतिरोध और दरार पड़ने की प्रवृत्ति जैसी कमियां होती हैं, जिससे इनका व्यापक अनुप्रयोग सीमित हो जाता है।
रासायनिक वाष्प अभिक्रिया (सीवीआर) विधि
सीवीआर मुख्य रूप से उच्च तापमान पर SiO₂ वाष्प उत्पन्न करने के लिए Si और SiO₂ पाउडर का उपयोग करता है, जिससे Si सब्सट्रेट की सतह पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला शुरू होती है और SiC कोटिंग बनती है। इस विधि द्वारा निर्मित SiC कोटिंग सब्सट्रेट से मजबूती से जुड़ जाती है; हालांकि, प्रतिक्रिया का तापमान अधिक होता है और लागत भी अपेक्षाकृत अधिक होती है।
रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी)
वर्तमान में, सीवीडी (CVD) सब्सट्रेट सतहों पर SiC कोटिंग तैयार करने की प्रमुख तकनीक है। इस प्रक्रिया में गैसीय अभिकारकों और सब्सट्रेट सतह के बीच भौतिक-रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला शामिल होती है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः SiC कोटिंग का निक्षेपण होता है। सीवीडी तकनीक द्वारा उत्पादित SiC कोटिंग सब्सट्रेट सतह से मजबूती से जुड़ जाती है और सब्सट्रेट सामग्री के ऑक्सीकरण प्रतिरोध और अपघर्षण प्रतिरोध को प्रभावी ढंग से बढ़ा सकती है; हालांकि, इस विधि में अपेक्षाकृत लंबा निक्षेपण समय लगता है, और प्रतिक्रिया गैसों में कुछ विषैले घटक होते हैं।
SiC कोटिंग्स में रुझान
SiC कोटिंग्स का उपयोग मुख्य रूप से सेमीकंडक्टर निर्माण में उपभोज्य सामग्री के रूप में किया जाता है, जिसमें कोटिंग की एकरूपता, तापीय विस्तार गुणांक और तापीय चालकता जैसे प्रमुख प्रदर्शन मापदंड शामिल हैं। चीन में SiC कोटिंग्स की घरेलू मांग काफी अधिक है, लेकिन तकनीक अभी भी अपरिपक्व है। विदेशों में, इस क्षेत्र में केवल एक अमेरिकी कंपनी कार्यरत है, और उसके उत्पाद अपेक्षाकृत महंगे हैं।
क्रिस्टल नावेंएपिटैक्सियल उत्पादन में प्रयुक्त होने वाले उपभोज्य पदार्थ SiC-लेपित ग्रेफाइट का स्थान ले सकते हैं, हालांकि बाजार में इनकी मात्रा सीमित है। इसके बाद TaC-लेपित ग्रेफाइट आता है, जो सादे ग्रेफाइट या SiC-लेपित ग्रेफाइट की तुलना में बेहतर रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करता है, लेकिन यह अत्यधिक महंगा है और अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है। वर्तमान में, घरेलू कंपनियां जैसे किलिउफैंग अर्धचालक, सेमिसेरा, औरवेटेक सेमीकंडक्टरइस क्षेत्र में अनुसंधान एवं विकास में लगे हुए हैं।
पोस्ट करने का समय: 20 मई 2026