سلیکون کاربائیڈ کوٹنگ: ایس آئی سی ایپیٹیکسیل گروتھ کے لیے کلیدی بنیادی مواد میں ایک پیش رفت

ایک ایپیٹیکسیل پرت ایک مخصوص سنگل کرسٹل پتلی فلم ہے جو ایک epitaxial عمل کے ذریعے ویفر سبسٹریٹ پر اگائی جاتی ہے۔ سبسٹریٹ ویفر اور ایپیٹیکسیل فلم کو اجتماعی طور پر ایپیٹیکسیل ویفر کہا جاتا ہے۔ ان میں سے، ایک کوندکٹو سلکان کاربائیڈ سبسٹریٹ پر سلکان کاربائیڈ ایپیٹیکسیل پرت کو اگانے سے ایک یکساں سلکان کاربائیڈ ایپیٹیکسیل ویفر پیدا ہوتا ہے، جسے مزید پاور ڈیوائسز جیسے Schottky diodes، MOSFETs، اور IGBTs میں بنایا جا سکتا ہے۔ سب سے زیادہ استعمال ہونے والی سبسٹریٹ قسم 4H-SiC سبسٹریٹ ہے۔

چونکہ عملی طور پر تمام آلات epitaxial تہوں پر من گھڑت ہیں، epitaxial تہہ کے معیار کا آلہ کی کارکردگی پر نمایاں اثر پڑتا ہے۔ تاہم، ایپیٹیکسیل پرت کا معیار کرسٹل اور سبسٹریٹ پروسیسنگ سے متاثر ہوتا ہے، اسے صنعت میں ایک اہم موڑ پر رکھتا ہے اور اس کی نشوونما میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔

سلکان کاربائیڈ ایپیٹیکسیل تہوں کی تیاری کے بنیادی طریقوں میں شامل ہیں: بخارات جمع کرنا۔ مائع فیز ایپیٹیکسی (ایل پی ای)؛ مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی (MBE)؛ اور کیمیائی بخارات جمع (CVD)۔ ان میں سے، کیمیائی بخارات جمع (CVD) 4H-SiC یکساں ایپیٹیکسی کے لیے سب سے زیادہ استعمال ہونے والا طریقہ ہے۔ 4H-SiC CVD epitaxy عام طور پر CVD آلات کو استعمال کرتا ہے، جو اعلی درجہ حرارت کے تحت 4H-SiC کرسٹل ڈھانچے کے تسلسل کو یقینی بناتا ہے۔

CVD سازوسامان میں، سبسٹریٹ کو براہ راست دھات کی سطح پر نہیں رکھا جا سکتا ہے یا اسے صرف اپیٹیکسیل جمع کرنے کے لیے بنیاد پر نہیں رکھا جا سکتا، کیونکہ اس میں گیس کے بہاؤ کی سمت (افقی، عمودی)، درجہ حرارت، دباؤ، فکسشن، اور بہانے والے ذرات سے آلودگی جیسے مختلف متاثر کن عوامل شامل ہیں۔ لہذا، ایک سپورٹ بیس کی ضرورت ہے؛ سبسٹریٹ کو ٹرے پر رکھا جاتا ہے، اور اس کے بعد CVD ٹیکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے سبسٹریٹ پر اپیٹیکسیل جمع کیا جاتا ہے۔ یہ سپورٹ بیس ایک SiC لیپت گریفائٹ بیس ہے۔

بنیادی جزو کے طور پر، گریفائٹ سبسٹریٹ اعلی مخصوص طاقت اور مخصوص ماڈیولس کے ساتھ ساتھ اچھا تھرمل جھٹکا اور سنکنرن مزاحمت بھی رکھتا ہے۔ تاہم، پیداوار کے دوران، گریفائٹ سنکنرن گیسوں اور بقایا آرگنومیٹالک مرکبات کی وجہ سے سنکنرن اور پاؤڈر شیڈنگ کا نشانہ بنتا ہے، جس سے سبسٹریٹ کی سروس لائف نمایاں طور پر کم ہوتی ہے۔ ایک ہی وقت میں، شیڈ گریفائٹ پاؤڈر چپس کو آلودہ کر سکتا ہے۔ سلکان کاربائیڈ ایپیٹیکسیل ویفرز کی تیاری میں، گریفائٹ مواد کی سخت ترین ضروریات کو پورا کرنا مشکل ہوتا جا رہا ہے، جس سے ان کی نشوونما اور عملی اطلاق کو شدید حد تک محدود کر دیا گیا ہے۔ نتیجتاً،کوٹنگ ٹیکنالوجیایک حل کے طور پر سامنے آیا ہے۔

سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں سی سی کوٹنگز کے فوائد

کوٹنگز کی جسمانی اور کیمیائی خصوصیات کو اعلی درجہ حرارت اور سنکنرن مزاحمت کے لیے سخت تقاضوں کو پورا کرنا چاہیے، کیونکہ یہ براہ راست مصنوعات کی پیداوار اور عمر کو متاثر کرتے ہیں۔ SiC مواد میں اعلی طاقت، زیادہ سختی، تھرمل توسیع کا کم گتانک، اور بہترین تھرمل چالکتا ہے، جو اسے ایک اہم اعلی درجہ حرارت کا ساختی اور سیمی کنڈکٹر مواد بناتا ہے۔ گریفائٹ سبسٹریٹس پر لاگو ہونے پر، اس کے فوائد میں شامل ہیں:

1) SiC سنکنرن مزاحم ہے اور گریفائٹ سبسٹریٹ کو مکمل طور پر سمیٹ سکتا ہے۔ اس کی اعلی کثافت سنکنرن گیسوں سے ہونے والے نقصان کو روکتی ہے۔

2) SiC میں گریفائٹ سبسٹریٹ کے ساتھ اعلی تھرمل چالکتا اور مضبوط بانڈنگ طاقت ہے، اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ بار بار اعلی-کم درجہ حرارت کے چکروں کے بعد بھی کوٹنگ برقرار رہے۔

3) SiC بہترین کیمیائی استحکام رکھتا ہے، اعلی درجہ حرارت، سنکنرن ماحول میں کوٹنگ کی ناکامی کو روکتا ہے۔

مزید برآں، مختلف مواد سے بنی ایپیٹیکسیل بھٹیوں کو مخصوص کارکردگی کی خصوصیات کے ساتھ گریفائٹ ٹرے کی ضرورت ہوتی ہے۔ گریفائٹ مواد کا تھرمل ایکسپینشن گتانک epitaxial فرنس کے نمو کے درجہ حرارت کے ساتھ ہم آہنگ ہونا چاہیے۔ مثال کے طور پر، چونکہ سلکان کاربائیڈ ایپیٹیکسی کے لیے نمو کا درجہ حرارت زیادہ ہے، اس لیے تھرمل ایکسپینشن گتانک مماثلت کی اعلیٰ ڈگری والی ٹرے درکار ہیں۔ SiC کا تھرمل ایکسپینشن گتانک گریفائٹ سے بہت کم مختلف ہے، جس سے یہ گریفائٹ سبسٹریٹس کی سطح کو کوٹنگ کے لیے ترجیحی مواد بناتا ہے۔

SiC ایک سے زیادہ کرسٹل شکلوں میں موجود ہے، اس وقت سب سے زیادہ عام 3C، 4H، اور 6H اقسام ہیں، ہر ایک مختلف ایپلی کیشنز پیش کرتا ہے۔ مثال کے طور پر، 4H-SiC کو ہائی پاور ڈیوائسز بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ 6H-SiC سب سے زیادہ مستحکم ہے اور اسے آپٹو الیکٹرانک آلات بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ اور 3C-SiC، GaN سے ساختی مماثلت کی وجہ سے، SiC-GaN RF آلات کی تیاری کے لیے GaN ایپیٹیکسیل تہوں کو تیار کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ 3C-SiC کو عام طور پر β-SiC بھی کہا جاتا ہے۔ β-SiC کا ایک اہم اطلاق ایک پتلی فلم اور کوٹنگ مواد کے طور پر ہے۔ اس کے نتیجے میں، β-SiC فی الحال کوٹنگز کے لیے استعمال ہونے والا بنیادی مواد ہے۔

سیمی کنڈکٹر کی پیداوار میں ایک عام استعمال کے طور پر، SiC کوٹنگز بنیادی طور پر سبسٹریٹ کی تیاری، ایپیٹیکسی، آکسیڈیشن اور ڈفیوژن، اینچنگ، اور آئن امپلانٹیشن جیسے عمل میں استعمال ہوتی ہیں۔ کوٹنگ کی جسمانی اور کیمیائی خصوصیات کو اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت اور سنکنرن مزاحمت کے لیے سخت تقاضوں کو پورا کرنا چاہیے، کیونکہ یہ براہ راست مصنوعات کی پیداوار اور عمر کو متاثر کرتے ہیں۔ نتیجتاً، SiC کوٹنگز کی تیاری بہت ضروری ہے۔

سلکان کاربائیڈ کوٹنگز کی تیاری کا عمل

فی الحال، SiC کوٹنگز کی تیاری کے بنیادی طریقوں میں سول-جیل طریقہ، سرایت کرنے کا طریقہ، برش کوٹنگ، پلازما اسپرے، کیمیائی بخارات کا رد عمل (CVR)، اور کیمیائی بخارات جمع کرنا (CVD) شامل ہیں۔

سرایت کرنے کا طریقہ

یہ طریقہ ہائی ٹمپریچر ٹھوس سٹیٹ سنٹرنگ کی ایک قسم ہے۔ یہ بنیادی طور پر سلکان (Si) پاؤڈر اور کاربن (C) پاؤڈر کا مرکب ایمبیڈنگ پاؤڈر کے طور پر استعمال کرتا ہے۔ ایک گریفائٹ سبسٹریٹ سرایت کرنے والے پاؤڈر کے اندر رکھا جاتا ہے اور ایک غیر فعال گیس کے ماحول میں اعلی درجہ حرارت پر سینٹر کیا جاتا ہے، بالآخر گریفائٹ سبسٹریٹ کی سطح پر ایک SiC کوٹنگ بناتا ہے۔ یہ طریقہ ایک سادہ عمل اور کوٹنگ اور سبسٹریٹ کے درمیان اچھی چپکنے کی خصوصیات رکھتا ہے۔ تاہم، کوٹنگ موٹائی کی سمت کے ساتھ ناقص یکسانیت کو ظاہر کرتی ہے اور متعدد سوراخوں کی نشوونما کا شکار ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں آکسیڈیشن کی کمزور مزاحمت ہوتی ہے۔

برش کوٹنگ کا طریقہ

برش کوٹنگ کے طریقہ کار میں بنیادی طور پر مائع خام مال کو گریفائٹ سبسٹریٹ کی سطح پر لگانا شامل ہے، اس کے بعد کوٹنگ بنانے کے لیے مواد کو مخصوص درجہ حرارت پر ٹھیک کرنا شامل ہے۔ یہ طریقہ آسان اور سرمایہ کاری مؤثر ہے؛ تاہم، نتیجے میں بننے والی کوٹنگ سبسٹریٹ کے ساتھ کمزور چپکنے، خراب یکسانیت، اور کم آکسیڈیشن مزاحمت کے ساتھ نسبتاً پتلی ہے، جس کے لیے اضافی طریقوں کی ضرورت ہوتی ہے۔

پلازما چھڑکنے کا طریقہ

پلازما چھڑکنے کے طریقہ کار میں گریفائٹ سبسٹریٹ کی سطح پر پگھلے ہوئے یا نیم پگھلے ہوئے خام مال کو اسپرے کرنے کے لیے پلازما گن کا استعمال شامل ہے، جو پھر مضبوط ہو کر ایک کوٹنگ بنانے کے لیے بانڈ کرتا ہے۔ یہ طریقہ کام کرنے کے لیے آسان ہے اور نسبتاً گھنے سلکان کاربائیڈ کوٹنگز پیدا کر سکتا ہے۔ تاہم، نتیجے میں بننے والی کوٹنگز اکثر بہت پتلی ہوتی ہیں، جس کی وجہ سے آکسیکرن کی کمزور مزاحمت ہوتی ہے۔ لہذا، یہ عام طور پر کوٹنگ کے معیار کو بہتر بنانے کے لیے SiC جامع کوٹنگز کی تیاری میں استعمال ہوتا ہے۔

جیل سول کا طریقہ

جیل سول کے طریقہ کار میں بنیادی طور پر سبسٹریٹ کی سطح کو کوٹ کرنے کے لیے یکساں، شفاف سول حل تیار کرنا شامل ہے۔ جیل میں خشک ہونے کے بعد، مواد کو کوٹنگ بنانے کے لیے sintered کیا جاتا ہے۔ یہ طریقہ کام کرنے میں آسان اور نسبتاً کم لاگت والا ہے۔ تاہم، نتیجے میں بننے والی کوٹنگز خرابیوں کا شکار ہوتی ہیں جیسے تھرمل جھٹکا مزاحمت اور ٹوٹ پھوٹ کا رجحان، ان کے وسیع استعمال کو محدود کر دیتا ہے۔

کیمیائی بخارات کا رد عمل (CVR) طریقہ

CVR بنیادی طور پر Si اور SiO₂ پاؤڈرز کو اعلی درجہ حرارت پر SiO₂ بخارات پیدا کرنے کے لیے استعمال کرتا ہے، جس سے Si سبسٹریٹ کی سطح پر ایک SiC کوٹنگ بنانے کے لیے کیمیائی رد عمل کا سلسلہ شروع ہوتا ہے۔ اس طریقے سے تیار کردہ SiC کوٹنگ سبسٹریٹ سے مضبوطی سے جڑ جاتی ہے۔ تاہم، رد عمل کا درجہ حرارت زیادہ ہے، اور قیمت بھی نسبتاً زیادہ ہے۔

کیمیائی بخارات جمع (CVD)

CVD فی الحال سبسٹریٹ سطحوں پر SiC کوٹنگز کی تیاری کے لیے بنیادی ٹیکنالوجی ہے۔ مرکزی عمل میں گیسی ری ایکٹنٹس اور سبسٹریٹ کی سطح کے درمیان فزیکو کیمیکل رد عمل کا ایک سلسلہ شامل ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں بالآخر ایک SiC کوٹنگ جمع ہوتی ہے۔ سی وی ڈی ٹکنالوجی کے ذریعہ تیار کردہ ایس آئی سی کوٹنگز سبسٹریٹ کی سطح کے ساتھ مضبوطی سے جوڑتی ہیں اور سبسٹریٹ مواد کی آکسیڈیشن مزاحمت اور خاتمے کی مزاحمت کو مؤثر طریقے سے بہتر بنا سکتی ہیں۔ تاہم، اس طریقہ کار کو جمع کرنے کا نسبتاً طویل وقت درکار ہوتا ہے، اور رد عمل والی گیسوں میں کچھ زہریلے اجزاء ہوتے ہیں۔

SiC کوٹنگز میں رجحانات

SiC کوٹنگز کو بنیادی طور پر سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ میں استعمال کی جانے والی اشیاء کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، جس میں کوٹنگ کی یکسانیت، تھرمل توسیع کا گتانک، اور تھرمل چالکتا سمیت اہم کارکردگی کے میٹرکس شامل ہیں۔ اگرچہ چین میں SIC کوٹنگز کی گھریلو مانگ بہت زیادہ ہے، لیکن ٹیکنالوجی ناپختہ ہے۔ بیرون ملک اس شعبے میں صرف ایک امریکی کمپنی کام کرتی ہے اور اس کی مصنوعات نسبتاً مہنگی ہیں۔

کرسٹل کشتیاںepitaxial پروڈکشن میں استعمال ہونے والے استعمال کی اشیاء ہیں جو SiC-coated graphite کی جگہ لے سکتی ہیں، حالانکہ مارکیٹ کا حجم چھوٹا ہے۔ اس کے بعد TaC-coated graphite ہے، جو ننگے گریفائٹ یا SiC-coated graphite سے بہتر کیمیائی سنکنرن مزاحمت پیش کرتا ہے، لیکن یہ ممنوعہ طور پر مہنگا ہے اور اب بھی ترقی کے ابتدائی مراحل میں ہے۔ فی الحال، گھریلو کمپنیوں جیسےلیوفانگ سیمی کنڈکٹر, سیمیسیرا، اورویٹیک سیمی کنڈکٹراس علاقے میں R&D میں مصروف ہیں۔