सिलिकॉन कार्बाइड के निर्माण में तकनीकी बाधाएं क्या हैं?

अर्धचालक पदार्थों की पहली पीढ़ी में पारंपरिक सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) शामिल हैं, 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 पदार्थों से बने होते हैं।
दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों में गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), इंडियम फॉस्फाइड (InP) और गैलियम फॉस्फाइड (GaP) शामिल हैं। सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में, इनमें उच्च आवृत्ति और उच्च गति वाले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं और इनका व्यापक रूप से ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है।
सेमीकंडक्टर सामग्रियों की तीसरी पीढ़ी में सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), गैलियम नाइट्राइड (GaN), जिंक ऑक्साइड (ZnO), हीरा (C) और एल्युमीनियम नाइट्राइड (AlN) जैसी उभरती हुई सामग्रियां शामिल हैं।

सिलिकन कार्बाइडसिलिकॉन कार्बाइड तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक उद्योग के विकास के लिए एक महत्वपूर्ण आधारभूत सामग्री है। सिलिकॉन कार्बाइड से बने विद्युत उपकरण अपनी उत्कृष्ट उच्च-वोल्टेज प्रतिरोध क्षमता, उच्च तापमान प्रतिरोध, कम हानि और अन्य गुणों के कारण विद्युत इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की उच्च दक्षता, लघुकरण और हल्के वजन की आवश्यकताओं को प्रभावी ढंग से पूरा कर सकते हैं।

अपनी उत्कृष्ट भौतिक विशेषताओं जैसे उच्च बैंड गैप (उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र और उच्च शक्ति घनत्व के अनुरूप), उच्च विद्युत चालकता और उच्च तापीय चालकता के कारण, भविष्य में इसे सेमीकंडक्टर चिप्स बनाने के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली मूल सामग्री बनने की उम्मीद है। विशेष रूप से नई ऊर्जा वाहनों, फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन, रेल परिवहन, 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 वृद्धि, एपिटैक्सियल परत वृद्धि और उपकरण निर्माण, जो औद्योगिक श्रृंखला की चार प्रमुख कड़ियों के अनुरूप हैं।सब्सट्रेट, एपिटैक्सी, उपकरण और मॉड्यूल।

सबस्ट्रेट निर्माण की मुख्य विधि में सबसे पहले भौतिक वाष्प उर्ध्वपातन विधि का उपयोग करके उच्च तापमान वाले निर्वात वातावरण में पाउडर को उर्ध्वपातित किया जाता है, और तापमान क्षेत्र को नियंत्रित करके बीज क्रिस्टल की सतह पर सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल उगाए जाते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड वेफर को सबस्ट्रेट के रूप में उपयोग करके, रासायनिक वाष्प निक्षेपण द्वारा वेफर पर एकल क्रिस्टल की एक परत जमा करके एक एपिटैक्सियल वेफर बनाया जाता है। इनमें से, प्रवाहकीय सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट पर सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल परत उगाकर विद्युत उपकरण बनाए जा सकते हैं, जिनका उपयोग मुख्य रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों, फोटोवोल्टिक्स और अन्य क्षेत्रों में किया जाता है; अर्ध-अचालक सबस्ट्रेट पर गैलियम नाइट्राइड एपिटैक्सियल परत उगाकर भी उपकरण बनाए जा सकते हैं।सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटइसे आगे चलकर रेडियो फ्रीक्वेंसी उपकरणों में भी बदला जा सकता है, जिनका उपयोग 5G संचार और अन्य क्षेत्रों में किया जाता है।

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

SiC के उत्पादन में आने वाली बाधा का पूरी तरह से समाधान नहीं हो पाया है, और कच्चे माल के क्रिस्टल स्तंभों की गुणवत्ता अस्थिर है और उत्पादन में समस्या है, जिसके कारण SiC उपकरणों की लागत अधिक होती है। सिलिकॉन सामग्री को क्रिस्टल रॉड में विकसित होने में औसतन केवल 3 दिन लगते हैं, जबकि सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल रॉड को विकसित होने में एक सप्ताह लग जाता है। एक सामान्य सिलिकॉन क्रिस्टल रॉड 200 सेमी लंबी हो सकती है, जबकि सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल रॉड केवल 2 सेमी लंबी हो सकती है। इसके अलावा, SiC स्वयं एक कठोर और भंगुर पदार्थ है, और पारंपरिक यांत्रिक कटिंग विधि से वेफर काटने पर इससे बने वेफर्स के किनारे टूटने की संभावना रहती है, जिससे उत्पाद की पैदावार और विश्वसनीयता प्रभावित होती है। SiC सब्सट्रेट पारंपरिक सिलिकॉन पिंडों से बहुत अलग होते हैं, और सिलिकॉन कार्बाइड को संभालने के लिए उपकरण, प्रक्रियाएं, प्रसंस्करण से लेकर कटिंग तक सब कुछ विकसित करने की आवश्यकता है।

सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग श्रृंखला को मुख्य रूप से चार प्रमुख कड़ियों में विभाजित किया गया है: सब्सट्रेट, एपिटैक्सी, उपकरण और अनुप्रयोग। सब्सट्रेट सामग्री उद्योग श्रृंखला की नींव है, एपिटैक्सी सामग्री उपकरण निर्माण की कुंजी है, उपकरण उद्योग श्रृंखला का मूल हैं, और अनुप्रयोग औद्योगिक विकास की प्रेरक शक्ति हैं। अपस्ट्रीम उद्योग कच्चे माल का उपयोग करके भौतिक वाष्प उर्ध्वपातन और अन्य विधियों के माध्यम से सब्सट्रेट सामग्री बनाता है, और फिर रासायनिक वाष्प निक्षेपण और अन्य विधियों का उपयोग करके एपिटैक्सी सामग्री विकसित करता है। मिडस्ट्रीम उद्योग अपस्ट्रीम सामग्री का उपयोग करके रेडियो फ्रीक्वेंसी उपकरण, विद्युत उपकरण और अन्य उपकरण बनाता है, जिनका अंततः डाउनस्ट्रीम में 5G संचार, इलेक्ट्रिक वाहन, रेल परिवहन आदि में उपयोग किया जाता है। इनमें से, सब्सट्रेट और एपिटैक्सी उद्योग श्रृंखला की लागत का 60% हिस्सा हैं और उद्योग श्रृंखला का मुख्य मूल्य हैं।

SiC सबस्ट्रेट: SiC क्रिस्टल आमतौर पर लेली विधि का उपयोग करके निर्मित किए जाते हैं। अंतर्राष्ट्रीय स्तर पर मुख्य उत्पाद 4 इंच से 6 इंच की ओर बढ़ रहे हैं, और 8 इंच के चालक सबस्ट्रेट उत्पाद विकसित किए जा चुके हैं। घरेलू सबस्ट्रेट मुख्य रूप से 4 इंच के होते हैं। चूंकि मौजूदा 6 इंच सिलिकॉन वेफर उत्पादन लाइनों को अपग्रेड और रूपांतरित करके SiC उपकरण बनाए जा सकते हैं, इसलिए 6 इंच SiC सबस्ट्रेट की उच्च बाजार हिस्सेदारी लंबे समय तक बनी रहेगी।

सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट बनाने की प्रक्रिया जटिल और कठिन है। सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट एक यौगिक अर्धचालक एकल क्रिस्टल पदार्थ है जो दो तत्वों - कार्बन और सिलिकॉन - से मिलकर बना होता है। वर्तमान में, उद्योग में सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर के संश्लेषण के लिए मुख्य रूप से उच्च शुद्धता वाले कार्बन पाउडर और उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन पाउडर का उपयोग कच्चे माल के रूप में किया जाता है। एक विशेष तापमान क्षेत्र में, क्रिस्टल वृद्धि भट्टी में विभिन्न आकारों के सिलिकॉन कार्बाइड को विकसित करने के लिए उन्नत भौतिक वाष्प संचरण विधि (पीवीटी विधि) का उपयोग किया जाता है। अंत में, क्रिस्टल पिंड को संसाधित, काटा, पीसा, पॉलिश किया, साफ किया और अन्य कई प्रक्रियाओं से गुजारकर सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट का उत्पादन किया जाता है।