సిలికాన్ కార్బైడ్ పూత: SiC ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధికి కీలకమైన ప్రధాన పదార్థాలలో ఒక పురోగతి

ఎపిటాక్సియల్ పొర అనేది ఎపిటాక్సియల్ ప్రక్రియ ద్వారా వేఫర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పెంచబడిన ఒక నిర్దిష్ట సింగిల్-క్రిస్టల్ పలుచని పొర; సబ్‌స్ట్రేట్ వేఫర్ మరియు ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ను కలిపి ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్ అని అంటారు. వీటిలో, వాహక సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై సిలికాన్ కార్బైడ్ ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచడం ద్వారా ఒక సజాతీయ సిలికాన్ కార్బైడ్ ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్ ఉత్పత్తి అవుతుంది, దీనిని షాట్కీ డయోడ్‌లు, MOSFETలు మరియు IGBTల వంటి పవర్ పరికరాలుగా మరింతగా తయారు చేయవచ్చు. అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్ రకం 4H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్.

వాస్తవంగా అన్ని పరికరాలు ఎపిటాక్సియల్ పొరలపై తయారు చేయబడతాయి కాబట్టి, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నాణ్యత పరికర పనితీరుపై గణనీయమైన ప్రభావాన్ని చూపుతుంది. అయితే, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నాణ్యత క్రిస్టల్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ ప్రాసెసింగ్ ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది, ఇది పరిశ్రమలో దానిని ఒక కీలకమైన దశలో నిలబెడుతూ, దాని అభివృద్ధిలో ప్రధాన పాత్ర పోషిస్తుంది.

సిలికాన్ కార్బైడ్ ఎపిటాక్సియల్ పొరలను తయారు చేయడానికి ప్రాథమిక పద్ధతులలో ఇవి ఉన్నాయి: ఆవిరి నిక్షేపణ (వేపర్ డిపోజిషన్); ద్రవ దశ ఎపిటాక్సీ (LPE); మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE); మరియు రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD). వీటిలో, 4H-SiC సజాతీయ ఎపిటాక్సీ కోసం రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD) అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే పద్ధతి. 4H-SiC CVD ఎపిటాక్సీ సాధారణంగా CVD పరికరాలను ఉపయోగిస్తుంది, ఇది అధిక పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రతల వద్ద 4H-SiC స్ఫటిక నిర్మాణం యొక్క కొనసాగింపును నిర్ధారిస్తుంది.

CVD పరికరాలలో, ఎపిటాక్సియల్ డిపాజిషన్ కోసం సబ్‌స్ట్రేట్‌ను నేరుగా లోహ ఉపరితలంపై లేదా కేవలం ఒక బేస్‌పై ఉంచడం కుదరదు. ఎందుకంటే, గ్యాస్ ప్రవాహ దిశ (క్షితిజ సమాంతర, నిలువు), ఉష్ణోగ్రత, పీడనం, స్థిరీకరణ, మరియు రాలిపడే కణాల వల్ల కలిగే కాలుష్యం వంటి వివిధ ప్రభావ కారకాలు ఇందులో ఉంటాయి. అందువల్ల, ఒక సపోర్ట్ బేస్ అవసరం; సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ఒక ట్రేపై ఉంచి, ఆ తర్వాత CVD టెక్నాలజీని ఉపయోగించి సబ్‌స్ట్రేట్‌పై ఎపిటాక్సియల్ డిపాజిషన్ నిర్వహిస్తారు. ఈ సపోర్ట్ బేస్ అనేది SiC పూత పూసిన గ్రాఫైట్ బేస్.

ప్రధాన భాగమైన గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్ అధిక విశిష్ట బలం మరియు విశిష్ట మాడ్యులస్‌తో పాటు, మంచి ఉష్ణఘాత మరియు తుప్పు నిరోధకతను కలిగి ఉంటుంది. అయితే, ఉత్పత్తి సమయంలో, క్షయకారక వాయువులు మరియు మిగిలిపోయిన ఆర్గానోమెటాలిక్ సమ్మేళనాల కారణంగా గ్రాఫైట్ తుప్పు పట్టడానికి మరియు పొడి రాలడానికి గురవుతుంది, ఇది సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క సేవా జీవితాన్ని గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది. అదే సమయంలో, రాలిన గ్రాఫైట్ పొడి చిప్‌లను కలుషితం చేయగలదు. సిలికాన్ కార్బైడ్ ఎపిటాక్సియల్ వేఫర్‌ల ఉత్పత్తిలో, గ్రాఫైట్ పదార్థాల కోసం నిరంతరం కఠినతరం అవుతున్న అవసరాలను తీర్చడం చాలా కష్టంగా మారింది, ఇది వాటి అభివృద్ధిని మరియు ఆచరణాత్మక అనువర్తనాన్ని తీవ్రంగా పరిమితం చేస్తోంది. పర్యవసానంగా,పూత సాంకేతికతఒక పరిష్కారంగా ఆవిర్భవించింది.

సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో SiC పూతల ప్రయోజనాలు

పూతల యొక్క భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలు అధిక-ఉష్ణోగ్రత మరియు తుప్పు నిరోధకత కోసం కఠినమైన అవసరాలను తీర్చాలి, ఎందుకంటే ఇవి ఉత్పత్తి దిగుబడి మరియు జీవితకాలంపై నేరుగా ప్రభావం చూపుతాయి. SiC పదార్థం అధిక బలం, అధిక కాఠిన్యం, తక్కువ ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం మరియు అద్భుతమైన ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంటుంది, ఇది అధిక-ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఒక కీలకమైన నిర్మాణ మరియు సెమీకండక్టర్ పదార్థంగా నిలుస్తుంది. గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లకు దీనిని పూసినప్పుడు, దాని ప్రయోజనాలు ఈ క్రింది విధంగా ఉన్నాయి:

1) SiC తుప్పు నిరోధకమైనది మరియు గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను పూర్తిగా కప్పివేయగలదు. దీని అధిక సాంద్రత తుప్పు పట్టించే వాయువుల వల్ల కలిగే నష్టాన్ని నివారిస్తుంది.

2) SiC అధిక ఉష్ణ వాహకతను మరియు గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌తో బలమైన బంధన శక్తిని కలిగి ఉంటుంది, ఇది పదేపదే అధిక-తక్కువ ఉష్ణోగ్రత చక్రాల తర్వాత కూడా పూత చెక్కుచెదరకుండా ఉండేలా చేస్తుంది.

3) SiC అద్భుతమైన రసాయన స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటుంది, ఇది అధిక-ఉష్ణోగ్రత, క్షయకారక వాతావరణాలలో పూత వైఫల్యాన్ని నివారిస్తుంది.

అంతేకాకుండా, వివిధ పదార్థాలతో తయారు చేయబడిన ఎపిటాక్సియల్ ఫర్నేస్‌లకు నిర్దిష్ట పనితీరు నిర్దేశాలతో కూడిన గ్రాఫైట్ ట్రేలు అవసరం. గ్రాఫైట్ పదార్థం యొక్క ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం, ఎపిటాక్సియల్ ఫర్నేస్ యొక్క పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రతకు అనుకూలంగా ఉండాలి. ఉదాహరణకు, సిలికాన్ కార్బైడ్ ఎపిటాక్సీకి పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది కాబట్టి, ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం అధిక స్థాయిలో సరిపోలే ట్రేలు అవసరం. SiC యొక్క ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం గ్రాఫైట్ కంటే చాలా తక్కువగా భిన్నంగా ఉంటుంది, అందువల్ల గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఉపరితలానికి పూత వేయడానికి ఇది ప్రాధాన్యత గల పదార్థంగా మారింది.

SiC బహుళ స్ఫటిక రూపాలలో ఉంటుంది, వీటిలో ప్రస్తుతం అత్యంత సాధారణమైనవి 3C, 4H, మరియు 6H రకాలు, ఇవి ఒక్కొక్కటి వేర్వేరు అనువర్తనాలకు ఉపయోగపడతాయి. ఉదాహరణకు, 4H-SiC అధిక-శక్తి పరికరాల తయారీకి ఉపయోగించబడుతుంది; 6H-SiC అత్యంత స్థిరమైనది మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల తయారీకి ఉపయోగించబడుతుంది; మరియు 3C-SiC, GaNతో దాని నిర్మాణ సారూప్యత కారణంగా, SiC-GaN RF పరికరాల తయారీ కోసం GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. 3C-SiCని సాధారణంగా β-SiC అని కూడా పిలుస్తారు. β-SiC యొక్క ఒక ముఖ్యమైన అనువర్తనం పలుచని పొర మరియు పూత పదార్థంగా ఉపయోగించడం; తత్ఫలితంగా, ప్రస్తుతం పూతల కోసం ఉపయోగించే ప్రాథమిక పదార్థం β-SiC.

సెమీకండక్టర్ ఉత్పత్తిలో ఒక సాధారణ వినియోగ వస్తువుగా, SiC పూతలను ప్రధానంగా సబ్‌స్ట్రేట్ తయారీ, ఎపిటాక్సీ, ఆక్సీకరణ మరియు వ్యాపనం, ఎచింగ్, మరియు అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ వంటి ప్రక్రియలలో ఉపయోగిస్తారు. పూత యొక్క భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలు అధిక-ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత మరియు తుప్పు నిరోధకత కోసం కఠినమైన అవసరాలను తీర్చాలి, ఎందుకంటే ఇవి ఉత్పత్తి దిగుబడి మరియు జీవితకాలంపై నేరుగా ప్రభావం చూపుతాయి. పర్యవసానంగా, SiC పూతల తయారీ అత్యంత కీలకం.

సిలికాన్ కార్బైడ్ పూతలను తయారుచేసే ప్రక్రియ

ప్రస్తుతం, SiC పూతలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే ప్రాథమిక పద్ధతులలో సోల్-జెల్ పద్ధతి, ఎంబెడింగ్ పద్ధతి, బ్రష్ కోటింగ్, ప్లాస్మా స్ప్రేయింగ్, కెమికల్ వేపర్ రియాక్షన్ (CVR) మరియు కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (CVD) ఉన్నాయి.

ఎంబెడ్డింగ్ పద్ధతి

ఈ పద్ధతి ఒక రకమైన అధిక-ఉష్ణోగ్రత ఘన-స్థితి సింటరింగ్. ఇది ప్రధానంగా సిలికాన్ (Si) పొడి మరియు కార్బన్ (C) పొడి మిశ్రమాన్ని ఎంబెడింగ్ పౌడర్‌గా ఉపయోగిస్తుంది. ఒక గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ఎంబెడింగ్ పౌడర్ లోపల ఉంచి, జడ వాయు వాతావరణంలో అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద సింటరింగ్ చేస్తారు, దీని ఫలితంగా గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై SiC పూత ఏర్పడుతుంది. ఈ పద్ధతి సరళమైన ప్రక్రియను మరియు పూతకు, సబ్‌స్ట్రేట్‌కు మధ్య మంచి అతుకుదలను కలిగి ఉంటుంది; అయితే, ఈ పూత మందం దిశలో పేలవమైన ఏకరూపతను ప్రదర్శిస్తుంది మరియు అనేక రంధ్రాలు ఏర్పడటానికి అవకాశం ఉంటుంది, దీని ఫలితంగా ఆక్సీకరణ నిరోధకత తక్కువగా ఉంటుంది.

బ్రష్ కోటింగ్ పద్ధతి

బ్రష్ కోటింగ్ పద్ధతిలో ప్రధానంగా గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై ద్రవ ముడి పదార్థాన్ని పూసి, ఆ తర్వాత కోటింగ్‌ను ఏర్పరచడానికి ఆ పదార్థాన్ని ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద క్యూరింగ్ చేస్తారు. ఈ పద్ధతి సరళమైనది మరియు తక్కువ ఖర్చుతో కూడుకున్నది; అయినప్పటికీ, దీని ఫలితంగా ఏర్పడే కోటింగ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌కు బలహీనమైన అంటుకునే గుణాన్ని, పేలవమైన ఏకరూపతను కలిగి ఉంటుంది మరియు తక్కువ ఆక్సీకరణ నిరోధకతతో సాపేక్షంగా పలుచగా ఉంటుంది, అందువల్ల అనుబంధ పద్ధతులు అవసరమవుతాయి.

ప్లాస్మా స్ప్రేయింగ్ పద్ధతి

ప్లాస్మా స్ప్రేయింగ్ పద్ధతిలో, ప్లాస్మా గన్‌ను ఉపయోగించి కరిగిన లేదా పాక్షికంగా కరిగిన ముడి పదార్థాన్ని గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై స్ప్రే చేస్తారు, అది తరువాత ఘనీభవించి, బంధం ఏర్పరచుకొని ఒక పూతగా మారుతుంది. ఈ పద్ధతిని నిర్వహించడం సులభం మరియు ఇది సాపేక్షంగా దట్టమైన సిలికాన్ కార్బైడ్ పూతలను ఉత్పత్తి చేయగలదు; అయితే, ఫలితంగా ఏర్పడే పూతలు తరచుగా చాలా పలుచగా ఉంటాయి, దీనివల్ల ఆక్సీకరణ నిరోధకత తక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల, పూత నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి SiC కాంపోజిట్ పూతల తయారీలో దీనిని సాధారణంగా ఉపయోగిస్తారు.

జెల్-సోల్ పద్ధతి

జెల్-సోల్ పద్ధతిలో ప్రధానంగా, ఆధార ఉపరితలానికి పూత పూయడానికి ఏకరీతిగా, పారదర్శకంగా ఉండే సోల్ ద్రావణాన్ని తయారు చేస్తారు. అది జెల్‌గా ఆరిన తర్వాత, పూతను ఏర్పరచడానికి ఆ పదార్థాన్ని సింటరింగ్ చేస్తారు. ఈ పద్ధతిని నిర్వహించడం సులభం మరియు దీనికయ్యే ఖర్చు కూడా చాలా తక్కువ; అయినప్పటికీ, దీనివల్ల ఏర్పడే పూతలలో తక్కువ ఉష్ణఘాత నిరోధకత మరియు పగుళ్లు ఏర్పడే ధోరణి వంటి లోపాలు ఉంటాయి, ఇవి వాటి విస్తృత వినియోగాన్ని పరిమితం చేస్తున్నాయి.

రసాయన ఆవిరి ప్రతిచర్య (CVR) పద్ధతి

CVR ప్రధానంగా Si మరియు SiO₂ పొడులను ఉపయోగించి అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద SiO₂ ఆవిరిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఇది Si సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై రసాయన చర్యల శ్రేణిని ప్రేరేపించి SiC పూతను ఏర్పరుస్తుంది. ఈ పద్ధతి ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన SiC పూత సబ్‌స్ట్రేట్‌కు గట్టిగా అతుక్కుంటుంది; అయితే, చర్య ఉష్ణోగ్రత అధికంగా ఉంటుంది మరియు ఖర్చు కూడా సాపేక్షంగా ఎక్కువగా ఉంటుంది.

రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD)

సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలాలపై SiC పూతలను తయారు చేయడానికి ప్రస్తుతం CVD ప్రధాన సాంకేతికతగా ఉంది. ఈ ప్రధాన ప్రక్రియలో వాయురూప రియాక్టెంట్‌లకు మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలానికి మధ్య జరిగే అనేక భౌతిక-రసాయన చర్యలు ఉంటాయి, దీని ఫలితంగా అంతిమంగా SiC పూత ఏర్పడుతుంది. CVD సాంకేతికత ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన SiC పూతలు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలానికి గట్టిగా అతుక్కుంటాయి మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ పదార్థం యొక్క ఆక్సీకరణ నిరోధకతను, అబ్లేషన్ నిరోధకతను సమర్థవంతంగా మెరుగుపరుస్తాయి; అయితే, ఈ పద్ధతికి పూత వేయడానికి సాపేక్షంగా ఎక్కువ సమయం పడుతుంది, మరియు చర్య వాయువులలో కొన్ని విషపూరిత భాగాలు ఉంటాయి.

SiC పూతలలో పోకడలు

SiC పూతలను ప్రధానంగా సెమీకండక్టర్ తయారీలో వినియోగ వస్తువులుగా ఉపయోగిస్తారు. పూత ఏకరూపత, ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం మరియు ఉష్ణ వాహకత వంటివి వీటి కీలక పనితీరు కొలమానాలు. చైనాలో SiC పూతలకు గణనీయమైన దేశీయ డిమాండ్ ఉన్నప్పటికీ, ఈ సాంకేతికత ఇంకా పరిపక్వం చెందలేదు. విదేశాలలో, ఈ రంగంలో కేవలం ఒక అమెరికన్ కంపెనీ మాత్రమే పనిచేస్తోంది, మరియు దాని ఉత్పత్తులు సాపేక్షంగా ఖరీదైనవి.

క్రిస్టల్ పడవలుఎపిటాక్సియల్ ఉత్పత్తిలో ఉపయోగించే వినియోగ వస్తువులు SiC-పూత పూసిన గ్రాఫైట్‌ను భర్తీ చేయగలవు, అయినప్పటికీ మార్కెట్ పరిమాణం తక్కువగా ఉంది. తదుపరిది TaC-పూత పూసిన గ్రాఫైట్, ఇది సాధారణ గ్రాఫైట్ లేదా SiC-పూత పూసిన గ్రాఫైట్ కంటే మెరుగైన రసాయన తుప్పు నిరోధకతను అందిస్తుంది, కానీ ఇది విపరీతంగా ఖరీదైనది మరియు ఇంకా అభివృద్ధి ప్రారంభ దశలోనే ఉంది. ప్రస్తుతం, దేశీయ కంపెనీలు వంటిలియుఫాంగ్ సెమీకండక్టర్, సెమిసెరామరియువెటెక్ సెమీకండక్టర్ఈ రంగంలో పరిశోధన మరియు అభివృద్ధి (R&D)లో నిమగ్నమై ఉన్నారు.