सिलिकॉन कार्बाइडच्या मार्गातील तांत्रिक अडथळे कोणते आहेत?

सेमीकंडक्टर सामग्रीच्या पहिल्या पिढीचे प्रतिनिधित्व पारंपरिक सिलिकॉन (Si) आणि जर्मेनियम (Ge) करतात, जे एकात्मिक सर्किट निर्मितीचा आधार आहेत. त्यांचा वापर कमी-व्होल्टेज, कमी-फ्रिक्वेन्सी आणि कमी-शक्तीच्या ट्रान्झिस्टर आणि डिटेक्टरमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो. ९०% पेक्षा जास्त सेमीकंडक्टर उत्पादने सिलिकॉन-आधारित सामग्रीपासून बनलेली असतात;
दुसऱ्या पिढीतील अर्धसंवाहक पदार्थांमध्ये गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs), इंडियम फॉस्फाइड (InP) आणि गॅलियम फॉस्फाइड (GaP) यांचा समावेश होतो. सिलिकॉन-आधारित उपकरणांच्या तुलनेत, त्यांच्यामध्ये उच्च-वारंवारता आणि उच्च-गतीचे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणधर्म असतात आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स व मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात त्यांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.
सिलिकॉन कार्बाइड (SiC), गॅलियम नायट्राइड (GaN), झिंक ऑक्साईड (ZnO), डायमंड (C) आणि ॲल्युमिनियम नायट्राइड (AlN) यांसारख्या उदयोन्मुख पदार्थांद्वारे सेमीकंडक्टर पदार्थांच्या तिसऱ्या पिढीचे प्रतिनिधित्व केले जाते.

सिलिकॉन कार्बाइडतिसऱ्या पिढीच्या सेमीकंडक्टर उद्योगाच्या विकासासाठी सिलिकॉन कार्बाइड हा एक महत्त्वाचा मूलभूत घटक आहे. सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेस त्यांच्या उत्कृष्ट उच्च-व्होल्टेज प्रतिरोध, उच्च तापमान प्रतिरोध, कमी हानी आणि इतर गुणधर्मांमुळे पॉवर इलेक्ट्रॉनिक सिस्टीमच्या उच्च कार्यक्षमता, लघुकरण आणि हलकेपणाच्या गरजा प्रभावीपणे पूर्ण करू शकतात.

त्याच्या उत्कृष्ट भौतिक गुणधर्मांमुळे: उच्च बँड गॅप (ज्यामुळे उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड आणि उच्च पॉवर डेन्सिटी मिळते), उच्च विद्युत चालकता आणि उच्च औष्णिक चालकता, यामुळे भविष्यात सेमीकंडक्टर चिप्स बनवण्यासाठी हा सर्वात जास्त वापरला जाणारा मूलभूत पदार्थ बनेल अशी अपेक्षा आहे. विशेषतः नवीन ऊर्जा वाहने, फोटोव्होल्टेइक वीज निर्मिती, रेल्वे वाहतूक, स्मार्ट ग्रिड आणि इतर क्षेत्रांमध्ये याचे स्पष्ट फायदे आहेत.

SiC उत्पादन प्रक्रिया तीन प्रमुख टप्प्यांमध्ये विभागली आहे: SiC एकल क्रिस्टल वाढ, एपिटॅक्सियल थर वाढ आणि उपकरण निर्मिती, जे औद्योगिक साखळीच्या चार प्रमुख दुव्यांशी संबंधित आहेत:सब्सट्रेट, एपिटॅक्सीउपकरणे आणि मॉड्यूल.

सबस्ट्रेट्स बनवण्याच्या मुख्य प्रवाहातील पद्धतीमध्ये, प्रथम फिजिकल व्हेपर सब्लिमेशन पद्धतीचा वापर करून उच्च-तापमानाच्या निर्वात वातावरणात पावडरचे सब्लिमेशन केले जाते आणि तापमान क्षेत्राच्या नियंत्रणाद्वारे सीड क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल्स वाढवले ​​जातात. सिलिकॉन कार्बाइड वेफरचा सबस्ट्रेट म्हणून वापर करून, केमिकल व्हेपर डिपॉझिशनद्वारे वेफरवर सिंगल क्रिस्टलचा थर जमा केला जातो, ज्यामुळे एपिटॅक्सियल वेफर तयार होते. त्यापैकी, प्रवाहकीय सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेटवर सिलिकॉन कार्बाइडचा एपिटॅक्सियल थर वाढवून ऊर्जा उपकरणे बनवता येतात, जी प्रामुख्याने इलेक्ट्रिक वाहने, फोटोव्होल्टाइक्स आणि इतर क्षेत्रांमध्ये वापरली जातात; तर अर्ध-विद्युतरोधक सबस्ट्रेटवर गॅलियम नायट्राइडचा एपिटॅक्सियल थर वाढवून...सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटयापासून पुढे रेडिओ फ्रिक्वेन्सी उपकरणे बनवता येतात, ज्यांचा वापर 5G संचार आणि इतर क्षेत्रांमध्ये केला जातो.

सध्या, सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग साखळीमध्ये सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्समध्ये सर्वात मोठे तांत्रिक अडथळे आहेत आणि त्यांचे उत्पादन करणे सर्वात कठीण आहे.

SiC च्या उत्पादनातील अडथळा पूर्णपणे सुटलेला नाही, आणि कच्च्या मालाच्या क्रिस्टल पिलर्सची गुणवत्ता अस्थिर आहे व उत्पादनक्षमतेची समस्या आहे, ज्यामुळे SiC उपकरणांची किंमत जास्त होते. सिलिकॉन मटेरियलला क्रिस्टल रॉडमध्ये वाढायला सरासरी फक्त ३ दिवस लागतात, पण सिलिकॉन कार्बाइडच्या क्रिस्टल रॉडला एक आठवडा लागतो. एक सामान्य सिलिकॉन क्रिस्टल रॉड २०० सेमी लांब वाढू शकतो, पण सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल रॉड फक्त २ सेमी लांब वाढू शकतो. शिवाय, SiC स्वतः एक कठीण आणि ठिसूळ मटेरियल आहे, आणि पारंपरिक मेकॅनिकल कटिंग वेफर डायसिंग वापरताना त्यापासून बनवलेल्या वेफर्सच्या कडा तुटण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे उत्पादनक्षमता आणि विश्वासार्हतेवर परिणाम होतो. SiC सबस्ट्रेट्स पारंपरिक सिलिकॉन इंगॉट्सपेक्षा खूप वेगळे असतात, आणि सिलिकॉन कार्बाइड हाताळण्यासाठी उपकरणे, प्रक्रिया, प्रोसेसिंगपासून ते कटिंगपर्यंत सर्व काही विकसित करण्याची गरज आहे.

सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग साखळी मुख्यत्वे चार प्रमुख टप्प्यांमध्ये विभागली आहे: सबस्ट्रेट, एपिटॅक्सी, उपकरणे आणि अनुप्रयोग. सबस्ट्रेट सामग्री ही उद्योग साखळीचा पाया आहे, एपिटॅक्सियल सामग्री ही उपकरण निर्मितीची गुरुकिल्ली आहे, उपकरणे ही उद्योग साखळीचा गाभा आहेत आणि अनुप्रयोग हे औद्योगिक विकासाचे प्रेरक घटक आहेत. अपस्ट्रीम उद्योग कच्च्या मालाचा वापर करून फिजिकल व्हेपर सब्लिमेशन पद्धती आणि इतर पद्धतींद्वारे सबस्ट्रेट सामग्री बनवतो आणि नंतर केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन पद्धती आणि इतर पद्धती वापरून एपिटॅक्सियल सामग्री वाढवतो. मिडस्ट्रीम उद्योग अपस्ट्रीम सामग्रीचा वापर करून रेडिओ फ्रिक्वेन्सी उपकरणे, पॉवर उपकरणे आणि इतर उपकरणे बनवतो, जी अखेरीस डाउनस्ट्रीम ५जी कम्युनिकेशन, इलेक्ट्रिक वाहने, रेल्वे वाहतूक इत्यादींमध्ये वापरली जातात. यांपैकी, सबस्ट्रेट आणि एपिटॅक्सीचा उद्योग साखळीच्या खर्चात ६०% वाटा आहे आणि ते उद्योग साखळीचे मुख्य मूल्य आहे.

SiC सबस्ट्रेट: SiC क्रिस्टल्स सामान्यतः लेली पद्धतीचा वापर करून तयार केले जातात. आंतरराष्ट्रीय मुख्य प्रवाहातील उत्पादने ४ इंचांवरून ६ इंचांकडे वळत आहेत आणि ८-इंची प्रवाहकीय सबस्ट्रेट उत्पादने विकसित केली गेली आहेत. देशांतर्गत सबस्ट्रेट्स प्रामुख्याने ४ इंचांचे आहेत. सध्याच्या ६-इंची सिलिकॉन वेफर उत्पादन लाइन्सना अपग्रेड करून SiC उपकरणे तयार करण्यासाठी रूपांतरित करता येत असल्यामुळे, ६-इंची SiC सबस्ट्रेट्सचा मोठा बाजारहिस्सा दीर्घकाळ टिकून राहील.

सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेटची प्रक्रिया गुंतागुंतीची आणि उत्पादन करण्यास कठीण आहे. सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट हे कार्बन आणि सिलिकॉन या दोन घटकांपासून बनलेले एक संयुक्त सेमीकंडक्टर एकल क्रिस्टल मटेरियल आहे. सध्या, उद्योग सिलिकॉन कार्बाइड पावडरचे संश्लेषण करण्यासाठी प्रामुख्याने उच्च-शुद्धता कार्बन पावडर आणि उच्च-शुद्धता सिलिकॉन पावडर कच्चा माल म्हणून वापरतो. एका विशिष्ट तापमान क्षेत्रात, क्रिस्टल ग्रोथ फर्नेसमध्ये वेगवेगळ्या आकारांचे सिलिकॉन कार्बाइड वाढवण्यासाठी प्रगत फिजिकल व्हेपर ट्रान्समिशन पद्धत (PVT पद्धत) वापरली जाते. शेवटी, क्रिस्टल इंगॉटवर प्रक्रिया करणे, कापणे, घासणे, पॉलिश करणे, स्वच्छ करणे आणि इतर अनेक प्रक्रिया करून सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट तयार केले जाते.