प्रस्तावना

सिलिकॉन कार्बाइड उद्योग श्रृंखला में सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर, सिलिकॉन कार्बाइड पिंड, सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट, सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सी, सिलिकॉन कार्बाइड वेफर, सिलिकॉन कार्बाइड चिप और सिलिकॉन कार्बाइड डिवाइस पैकेजिंग शामिल हैं। इनमें से, सब्सट्रेट, एपिटैक्सियल वेफर, वेफर और डिवाइस पैकेजिंग एवं परीक्षण सिलिकॉन कार्बाइड मूल्य श्रृंखला की चार सबसे महत्वपूर्ण कड़ियाँ हैं। सब्सट्रेट की लागत सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों की कुल लागत का 50% है, जबकि एपिटैक्सी, वेफर और पैकेजिंग परीक्षण की लागत क्रमशः 25%, 20% और 5% है। सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री की विश्वसनीयता अंतिम उपकरण के प्रदर्शन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। बेसिक सेमीकंडक्टर औद्योगिक श्रृंखला के सभी पहलुओं से सामग्री के गुणों और दोषों के कारणों का अध्ययन करता है और सिलिकॉन कार्बाइड पावर उपकरणों की विश्वसनीयता में सुधार के लिए अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम कंपनियों के साथ सहयोग करता है।

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सिलिकॉन कार्बाइड पिंड की वृद्धि और तैयारी विधि

सिलिकॉन कार्बाइड के 250 से अधिक आइसोमर होते हैं, और पावर सेमीकंडक्टर बनाने में मुख्य रूप से 4H-SiC एकल क्रिस्टल संरचना का उपयोग किया जाता है। सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल के विकास की प्रक्रिया के दौरान, 4H क्रिस्टल विकास विंडो सीमित होती है, और तापमान और दबाव के निर्धारण के लिए सख्त मानक निर्धारित हैं। विकास प्रक्रिया के दौरान गलत नियंत्रण के परिणामस्वरूप 2H, 3C, 6H और 15R जैसी अन्य संरचनाओं वाले सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल बन सकते हैं।

चित्र 1 विभिन्न सिलिकॉन कार्बाइड आइसोमर के निर्माण की शर्तें

उद्योग में, सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल पिंड तैयार करने की तीन विधियाँ हैं: सब्लिमेशन पीवीटी, एचटी-सीवीडी और एलपीई (विलयन वृद्धि विधि)। इनमें से, सब्लिमेशन पीवीटी वर्तमान में सबसे प्रचलित विधि है। व्यावसायिक सिलिकॉन कार्बाइड पिंडों का लगभग 95% पीवीटी विधि से तैयार किया जाता है। इस प्रक्रिया में सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर को विशेष उपकरण में डालकर गर्म किया जाता है। तापमान 2200-2500°C तक पहुँचने पर पाउडर का सब्लिमेशन शुरू हो जाता है। चूंकि सिलिकॉन कार्बाइड तरल अवस्था में नहीं होता, केवल गैसीय और ठोस अवस्थाओं में ही पाया जाता है, इसलिए सब्लिमेशन के बाद पिंड क्रिस्टलीकृत हो जाता है। सिलिकॉन एकल क्रिस्टल की वृद्धि दर लगभग 300 मिमी/घंटा है, जबकि सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल की वृद्धि दर लगभग 400 माइक्रोमीटर/घंटा है। दोनों में लगभग 800 गुना का अंतर है। उदाहरण के लिए, पाँच से छह सेंटीमीटर के पिंड के निर्माण के लिए 200-300 घंटे तक निरंतर और स्थिर वृद्धि की आवश्यकता होती है। यह देखा जा सकता है कि सिलिकॉन कार्बाइड पिंडों की तैयारी की दर बहुत धीमी है, जिससे ये पिंड महंगे हो जाते हैं।

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सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल पिंड और सब्सट्रेट वेफर दोष

सिलिकॉन कार्बाइड पिंड और सब्सट्रेट वेफर्स दोनों में कई प्रकार के क्रिस्टलीय दोष पाए जाते हैं, जैसे कि स्टैकिंग फॉल्ट, माइक्रोट्यूब्यूल्स, थ्रू स्क्रू डिसलोकेशन, थ्रू एज डिसलोकेशन, बेसल प्लेन डिसलोकेशन आदि। सिलिकॉन कार्बाइड पिंडों में ये दोष अंतिम उपकरण की उपज को काफी हद तक प्रभावित करते हैं। यह उद्योग जगत में एक अत्यंत महत्वपूर्ण विषय है। सभी सब्सट्रेट निर्माता सिलिकॉन कार्बाइड पिंडों में दोषों की संख्या को कम करने के लिए हर संभव प्रयास कर रहे हैं।

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सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की विश्वसनीयता

क्रिस्टल पिंड को पतली स्लाइस में काटकर, उसे चिकना और पॉलिश करके सब्सट्रेट शीट बनाई जाती है। पॉलिश करने के बाद सब्सट्रेट वेफर की सतह की गुणवत्ता अच्छी हो जाती है, जिससे एपिटैक्सियल वृद्धि के दौरान दोषों का बनना कम हो जाता है और उच्च गुणवत्ता वाले एपिटैक्सियल वेफर प्राप्त होते हैं। इसकी सतह की गुणवत्ता में समतलता, सतह के पास की अव्यवस्थाएं और अवशिष्ट तनाव शामिल हैं। एपिटैक्सियल वृद्धि के प्रारंभिक चरणों में दोषों के बनने को रोकने के लिए, सब्सट्रेट की सतह तनाव-मुक्त और सतह के पास की अव्यवस्थाओं से मुक्त होनी चाहिए। यदि सतह के पास के अवशिष्ट नुकसान को पर्याप्त रूप से नहीं हटाया जाता है, तो सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल वृद्धि से स्थूल दोष उत्पन्न हो सकते हैं। इसलिए, सब्सट्रेट लिंक की गुणवत्ता बाद के एपिटैक्सियल वृद्धि लिंक की गुणवत्ता को गंभीर रूप से प्रभावित करती है।

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सिलिकॉन कार्बाइड की एपिटैक्सियल वृद्धि और विश्वसनीयता

एपिटैक्सी का तात्पर्य सब्सट्रेट की ऊपरी सतह पर सब्सट्रेट के साथ समरूप एकल क्रिस्टल सामग्री 4H-SiC की परत विकसित करने से है। सिलिकॉन कार्बाइड के कई आइसोमर होते हैं। उच्च गुणवत्ता वाली एपिटैक्सियल सामग्री के निर्माण को सुनिश्चित करने के लिए, अन्य क्रिस्टल रूपों के प्रवेश को रोकने के लिए विशेष तकनीक की आवश्यकता होती है। वर्तमान मानकीकृत प्रक्रिया में 4° बेवल-कट 4H-SiC एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट का उपयोग करना और चरण-नियंत्रित विकास तकनीक को अपनाना शामिल है। वर्तमान में आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली प्रक्रिया सीवीडी विधि है: आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला उपकरण एक गर्म दीवार वाला क्षैतिज एपिटैक्सियल फर्नेस है, और आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली प्रतिक्रिया अग्रदूत गैस सिलान (SiH₄) है।₄), मीथेन (सीएच₄), एथिलीन (सी₂H₄), आदि, और नाइट्रोजन (N) का उपयोग करें₂) और ट्राइमिथाइलएल्युमिनियम (TMA) को अशुद्धता स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है। विशिष्ट वृद्धि तापमान सीमा 1500~1650 ℃ है, और वृद्धि दर 5~30 μm/h है।

एपिटैक्सियल परत की वृद्धि क्रिस्टल वृद्धि और वेफर प्रसंस्करण के दौरान उत्पन्न होने वाले कई सतही या निकट-सतही दोषों को दूर कर सकती है, जिससे क्रिस्टल जाली सुव्यवस्थित हो जाती है और सतह की संरचना सब्सट्रेट की तुलना में काफी बेहतर हो जाती है। ब्रेकडाउन वोल्टेज को बेहतर बनाने के लिए मोटी एपिटैक्सियल परत, अच्छी सतह संरचना और कम डोपिंग सांद्रता महत्वपूर्ण हैं। ऐसे एपिटैक्सियल वेफर्स का उपयोग विद्युत उपकरणों के निर्माण में किया जाता है, जिससे पैरामीटर स्थिरता और उत्पादन में काफी सुधार होता है।

चित्र 2 सब्सट्रेट परत और एपिटैक्सियल परत की संरचना

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सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल वेफर्स और सबस्ट्रेट वेफर्स में दोषों के बीच संबंध

जैसा कि ऊपर बताया गया है, सिलिकॉन कार्बाइड की एपिटैक्सियल परत में दोष सब्सट्रेट और वृद्धि प्रक्रिया से संबंधित होते हैं। एपिटैक्सियल परत के दोषों में सतह स्थलाकृति दोष, माइक्रो पाइप दोष, अव्यवस्थाएँ और अन्य प्रकार के दोष शामिल हैं। सतह आकृति विज्ञान दोषों में गाजर जैसे दोष (कुछ मामलों में धूमकेतु-प्रकार), उथले गड्ढे, त्रिकोणीय दोष और गिरी हुई वस्तुएँ शामिल हैं; सब्सट्रेट में मौजूद माइक्रोट्यूब्यूल दोष एपिटैक्सियल परत में प्रतिरूपित हो जाते हैं। सब्सट्रेट में माइक्रोट्यूब्यूल का वर्तमान घनत्व 0.1/cm³ से काफी कम होता है।²मूलतः समाप्त हो गया। सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल परत में अधिकांश विस्थापन सब्सट्रेट विस्थापनों से उत्पन्न होते हैं, जिनमें मुख्य रूप से टीएसडी, टीईडी और बीपीडी शामिल हैं। एपिटैक्सी द्वारा उत्पन्न दोष, जैसे कि साधारण विस्थापन और कैरट दोष, सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सी की गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण मुद्दे हैं।

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सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल वेफर दोषों का अंतिम उपकरण पर प्रभाव

एपिटैक्सियल वृद्धि प्रक्रिया के दौरान, सब्सट्रेट में मौजूद लगभग 98% टीएसडी, टीएसडी में परिवर्तित हो जाता है, और शेष फ्रैंक एसएफ में परिवर्तित हो जाता है; टीईडी 100% टीईडी में परिवर्तित हो जाता है; बीपीडी का लगभग 95% टीईडी में परिवर्तित हो जाता है, और थोड़ी मात्रा बीपीडी के रूप में बनी रहती है।

चित्र 3 सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल वेफर दोषों और सब्सट्रेट वेफर दोषों के बीच सहसंबंध

TSD और TED मूलतः अंतिम सिलिकॉन कार्बाइड डिवाइस के प्रदर्शन को प्रभावित नहीं करते हैं, जबकि BPD डिवाइस के प्रदर्शन में गिरावट ला सकता है, इसलिए लोग BPD पर अधिक ध्यान देते हैं। स्टैकिंग दोष, कैरेट दोष, त्रिभुज दोष, गिरी हुई वस्तुएं और अन्य दोष घातक दोष हैं। एक बार ये दोष डिवाइस में दिखाई देने पर, डिवाइस परीक्षण में विफल हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप उत्पादन में कमी आती है। ट्रायोड और IGBT जैसे द्विध्रुवी उपकरण BPD के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं।

तालिका 1 एपिटैक्सियल वेफर दोषों का अंतिम उपकरण पर प्रभाव

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सिलिकॉन कार्बाइड सामग्रियों के सामने दो चुनौतियाँ

सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री के प्रचार-प्रसार में आने वाली प्रमुख चुनौतियों में से एक इसकी अत्यधिक कीमत है, और इसके सब्सट्रेट की कीमत सिलिकॉन और नीलमणि सब्सट्रेट की तुलना में कहीं अधिक है। वर्तमान में, सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट का मुख्य व्यास केवल 4 से 6 इंच है, और आकार बढ़ाने और कीमत कम करने के लिए अधिक उन्नत विकास तकनीक की आवश्यकता है। 

दूसरी ओर, सिलिकॉन कार्बाइड का विस्थापन घनत्व लगभग 102²-104⁴ होता है, जो सिलिकॉन, गैलियम आर्सेनाइड और अन्य पदार्थों की तुलना में कहीं अधिक है। इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन कार्बाइड में उच्च तनाव भी होता है, जिससे सतह मापदंडों में समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं। सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की गुणवत्ता में सुधार, एपिटैक्सियल पदार्थों की गुणवत्ता, उपकरण निर्माण की उपज, उपकरण की विश्वसनीयता और जीवनकाल को बेहतर बनाने का एक महत्वपूर्ण तरीका है।

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