सिलिकॉन कार्बाइड के लिए तकनीकी बाधाएं क्या हैं?

अर्धचालक पदार्थों की पहली पीढ़ी का प्रतिनिधित्व पारंपरिक सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) द्वारा किया जाता है, जो एकीकृत सर्किट निर्माण का आधार हैं। इनका व्यापक रूप से कम वोल्टेज, कम आवृत्ति और कम शक्ति वाले ट्रांजिस्टर और डिटेक्टरों में उपयोग किया जाता है। 90% से अधिक अर्धचालक उत्पाद सिलिकॉन-आधारित सामग्रियों से बने होते हैं;
दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों का प्रतिनिधित्व गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), इंडियम फॉस्फाइड (InP) और गैलियम फॉस्फाइड (GaP) द्वारा किया जाता है। सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में, उनके पास उच्च-आवृत्ति और उच्च-गति वाले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।
अर्धचालक पदार्थों की तीसरी पीढ़ी का प्रतिनिधित्व सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), गैलियम नाइट्राइड (GaN), जिंक ऑक्साइड (ZnO), हीरा (C), और एल्युमिनियम नाइट्राइड (AlN) जैसे उभरते पदार्थों द्वारा किया जाता है।

सिलिकन कार्बाइडतीसरी पीढ़ी के अर्धचालक उद्योग के विकास के लिए एक महत्वपूर्ण बुनियादी सामग्री है। सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरण अपने उत्कृष्ट उच्च वोल्टेज प्रतिरोध, उच्च तापमान प्रतिरोध, कम नुकसान और अन्य गुणों के साथ बिजली इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की उच्च दक्षता, लघुकरण और हल्के वजन की आवश्यकताओं को प्रभावी ढंग से पूरा कर सकते हैं।

इसके बेहतर भौतिक गुणों के कारण: उच्च बैंड गैप (उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र और उच्च शक्ति घनत्व के अनुरूप), उच्च विद्युत चालकता और उच्च तापीय चालकता, यह भविष्य में सेमीकंडक्टर चिप्स बनाने के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली बुनियादी सामग्री बनने की उम्मीद है। विशेष रूप से नए ऊर्जा वाहनों, फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन, रेल पारगमन, स्मार्ट ग्रिड और अन्य क्षेत्रों में, इसके स्पष्ट लाभ हैं।

SiC उत्पादन प्रक्रिया को तीन प्रमुख चरणों में विभाजित किया गया है: SiC एकल क्रिस्टल विकास, एपीटैक्सियल परत विकास और उपकरण निर्माण, जो औद्योगिक श्रृंखला के चार प्रमुख लिंक के अनुरूप हैं:सब्सट्रेट, एपिटैक्सी, उपकरण और मॉड्यूल।

सब्सट्रेट बनाने की मुख्यधारा विधि पहले भौतिक वाष्प ऊर्ध्वपातन विधि का उपयोग करती है ताकि पाउडर को उच्च तापमान वाले वैक्यूम वातावरण में ऊर्ध्वपातित किया जा सके, और तापमान क्षेत्र के नियंत्रण के माध्यम से बीज क्रिस्टल की सतह पर सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल विकसित किए जा सकें। सब्सट्रेट के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड वेफर का उपयोग करते हुए, रासायनिक वाष्प जमाव का उपयोग वेफर पर एकल क्रिस्टल की एक परत जमा करने के लिए किया जाता है ताकि एक एपिटैक्सियल वेफर बनाया जा सके। उनमें से, एक प्रवाहकीय सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर एक सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल परत को विकसित करके बिजली उपकरणों में बनाया जा सकता है, जिनका उपयोग मुख्य रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों, फोटोवोल्टिक्स और अन्य क्षेत्रों में किया जाता है; एक अर्ध-इन्सुलेटिंग पर गैलियम नाइट्राइड एपिटैक्सियल परत को विकसित करनासिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटइन्हें आगे रेडियो आवृत्ति उपकरणों में बनाया जा सकता है, जिनका उपयोग 5G संचार और अन्य क्षेत्रों में किया जा सकता है।

फिलहाल, सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग श्रृंखला में सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स में सबसे अधिक तकनीकी बाधाएं हैं, और सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स का उत्पादन करना सबसे कठिन है।

SiC के उत्पादन की अड़चन पूरी तरह से हल नहीं हुई है, और कच्चे माल के क्रिस्टल स्तंभों की गुणवत्ता अस्थिर है और उपज की समस्या है, जो SiC उपकरणों की उच्च लागत की ओर ले जाती है। सिलिकॉन सामग्री को क्रिस्टल रॉड में विकसित होने में औसतन केवल 3 दिन लगते हैं, लेकिन सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल रॉड के लिए एक सप्ताह लगता है। एक सामान्य सिलिकॉन क्रिस्टल रॉड 200 सेमी लंबी हो सकती है, लेकिन एक सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल रॉड केवल 2 सेमी लंबी हो सकती है। इसके अलावा, SiC स्वयं एक कठोर और भंगुर पदार्थ है, और इससे बने वेफ़र पारंपरिक यांत्रिक कटिंग वेफ़र डाइसिंग का उपयोग करते समय किनारे से छिलने के लिए प्रवण होते हैं, जो उत्पाद की उपज और विश्वसनीयता को प्रभावित करता है। SiC सब्सट्रेट पारंपरिक सिलिकॉन सिल्लियों से बहुत अलग हैं, और सिलिकॉन कार्बाइड को संभालने के लिए उपकरण, प्रक्रिया, प्रसंस्करण से लेकर कटिंग तक सब कुछ विकसित करने की आवश्यकता है।

सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग श्रृंखला मुख्य रूप से चार प्रमुख लिंक में विभाजित है: सब्सट्रेट, एपिटेक्सी, डिवाइस और अनुप्रयोग। सब्सट्रेट सामग्री उद्योग श्रृंखला की नींव हैं, एपिटैक्सियल सामग्री डिवाइस निर्माण की कुंजी हैं, डिवाइस उद्योग श्रृंखला का मूल हैं, और अनुप्रयोग औद्योगिक विकास के लिए प्रेरक शक्ति हैं। अपस्ट्रीम उद्योग भौतिक वाष्प उच्च बनाने की क्रिया विधियों और अन्य तरीकों के माध्यम से सब्सट्रेट सामग्री बनाने के लिए कच्चे माल का उपयोग करता है, और फिर एपिटैक्सियल सामग्री विकसित करने के लिए रासायनिक वाष्प जमाव विधियों और अन्य तरीकों का उपयोग करता है। मिडस्ट्रीम उद्योग रेडियो फ्रीक्वेंसी डिवाइस, पावर डिवाइस और अन्य डिवाइस बनाने के लिए अपस्ट्रीम सामग्रियों का उपयोग करता है, जो अंततः डाउनस्ट्रीम 5 जी संचार में उपयोग किए जाते हैं। , इलेक्ट्रिक वाहन, रेल पारगमन, आदि। उनमें से, सब्सट्रेट और एपिटेक्सी उद्योग श्रृंखला की लागत का 60% हिस्सा हैं और उद्योग श्रृंखला का मुख्य मूल्य हैं।

SiC सब्सट्रेट: SiC क्रिस्टल आमतौर पर लेली विधि का उपयोग करके निर्मित किए जाते हैं। अंतर्राष्ट्रीय मुख्यधारा के उत्पाद 4 इंच से 6 इंच तक परिवर्तित हो रहे हैं, और 8-इंच प्रवाहकीय सब्सट्रेट उत्पाद विकसित किए गए हैं। घरेलू सब्सट्रेट मुख्य रूप से 4 इंच के होते हैं। चूंकि मौजूदा 6-इंच सिलिकॉन वेफर उत्पादन लाइनों को SiC उपकरणों का उत्पादन करने के लिए अपग्रेड और रूपांतरित किया जा सकता है, इसलिए 6-इंच SiC सब्सट्रेट का उच्च बाजार हिस्सा लंबे समय तक बना रहेगा।

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट प्रक्रिया जटिल और उत्पादन में कठिन है। सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट एक मिश्रित अर्धचालक एकल क्रिस्टल सामग्री है जो दो तत्वों से बना है: कार्बन और सिलिकॉन। वर्तमान में, उद्योग मुख्य रूप से सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर को संश्लेषित करने के लिए कच्चे माल के रूप में उच्च शुद्धता वाले कार्बन पाउडर और उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन पाउडर का उपयोग करता है। एक विशेष तापमान क्षेत्र के तहत, परिपक्व भौतिक वाष्प संचरण विधि (PVT विधि) का उपयोग क्रिस्टल विकास भट्टी में विभिन्न आकारों के सिलिकॉन कार्बाइड को विकसित करने के लिए किया जाता है। सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट का उत्पादन करने के लिए क्रिस्टल पिंड को अंत में संसाधित, काटा, जमीन, पॉलिश, साफ और अन्य कई प्रक्रियाओं से गुजरना पड़ता है।