सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल के उत्पादन के मुख्य तरीकों में फिजिकल वेपर ट्रांसपोर्ट (PVT), टॉप-सीडेड सॉल्यूशन ग्रोथ (TSSG), और हाई-टेंपरेचर केमिकल वेपर डिपोजिशन (HT-CVD) शामिल हैं।
इनमें से, PVT औद्योगिक उत्पादन में सबसे व्यापक रूप से अपनाया जाने वाला तरीका है, क्योंकि इसमें अपेक्षाकृत सरल उपकरण सेटअप, नियंत्रण में आसानी और कम उपकरण और परिचालन लागत शामिल हैं।
PVT विधि का उपयोग करके SiC एकल क्रिस्टल उगाते समय, निम्नलिखित तकनीकी पहलू महत्वपूर्ण हैं:
थर्मल क्षेत्र में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट को सख्त शुद्धता आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए। ग्रेफाइट भागों में अशुद्धता की मात्रा 5×10⁻⁶ से कम होनी चाहिए, जबकि इन्सुलेशन फेल्ट 10×10⁻⁶ से कम होना चाहिए। विशेष रूप से, बोरॉन (B) और एल्यूमीनियम (Al) की मात्रा 0.1×10⁻⁶ से कम होनी चाहिए।
प्रयोगों से पता चला है कि C (0001) चेहरा 4H-SiC उगाने के लिए उपयुक्त है, जबकि Si (0001) चेहरे का उपयोग 6H-SiC विकास के लिए किया जाता है।
ऑफ-एक्सिस बीज विकास समरूपता को तोड़ने और परिणामी क्रिस्टल में दोषों को कम करने में मदद करते हैं।
स्थिर विकास के लिए बीज क्रिस्टल और सब्सट्रेट के बीच विश्वसनीय बंधन आवश्यक है।
विकास चक्र के दौरान, समान गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए क्रिस्टल विकास इंटरफ़ेस की स्थिरता बनाए रखना महत्वपूर्ण है।
SiC पाउडर में डोपिंग तकनीक
सेरियम (Ce) के साथ डोपिंग सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर एकल-पॉलीटाइप 4H-SiC के स्थिर विकास को बढ़ावा देता है। यह डोपिंग तकनीक कर सकती है:
विकास दर बढ़ाएँ;
क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास बढ़ाएँ;
अशुद्धता समावेशन और दोष निर्माण को दबाएँ;
उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल की उपज में सुधार करें;
पिछली तरफ के संक्षारण को रोकें और मोनोक्रिस्टलिनिटी बढ़ाएँ।
अक्षीय और रेडियल तापमान प्रवणता नियंत्रण
अक्षीय प्रवणता क्रिस्टल आकृति विज्ञान और विकास दक्षता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। एक प्रवणता जो बहुत छोटी है, वह पॉलीटाइप मिश्रण और वाष्प परिवहन में कमी ला सकती है। इष्टतम अक्षीय और रेडियल प्रवणता तेजी से, स्थिर क्रिस्टल विकास का समर्थन करती है।
बेसल प्लेन डिसलोकेशन (BPD) नियंत्रण
BPD तब उत्पन्न होते हैं जब आंतरिक कतरनी तनाव महत्वपूर्ण सीमा से अधिक हो जाता है, आमतौर पर विकास और शीतलन के दौरान। इन तनावों का प्रबंधन BPD दोषों को कम करने की कुंजी है।
गैस चरण संरचना अनुपात नियंत्रण
वाष्प चरण में कार्बन-से-सिलिकॉन अनुपात को बढ़ाने से एकल-पॉलीटाइप विकास को स्थिर करने और मैक्रो-स्टेप बंचिंग को रोकने में मदद मिलती है, जिससे पॉलीटाइप निर्माण को दबाया जाता है।
कम-तनाव क्रिस्टल विकास तकनीक
आंतरिक तनाव जाली विरूपण, क्रिस्टल क्रैकिंग और बढ़ती अव्यवस्था घनत्व का कारण बन सकता है, जो सभी क्रिस्टल गुणवत्ता और डाउनस्ट्रीम डिवाइस प्रदर्शन को कम करते हैं। तनाव को कम किया जा सकता है:
लगभग-संतुलन विकास के लिए तापमान क्षेत्र और प्रक्रिया अनुकूलन;
क्रूसिबल संरचना को फिर से डिज़ाइन करना ताकि मुक्त क्रिस्टल विस्तार हो सके;
थर्मल विस्तार बेमेल को कम करने के लिए बीज और ग्रेफाइट धारक के बीच 2 मिमी का अंतर छोड़कर बीज माउंटिंग विधियों में सुधार करना;
अवशिष्ट तनाव को छोड़ने के लिए भट्टी में क्रिस्टल को एनीलिंग करना, तापमान और अवधि का सावधानीपूर्वक समायोजन करना।
बड़ा क्रिस्टल आकार
SiC एकल क्रिस्टल का व्यास कुछ मिलीमीटर से बढ़कर 6-इंच, 8-इंच और यहां तक कि 12-इंच वेफर्स तक हो गया है। पैमाने में वृद्धि उत्पादन दक्षता में सुधार करती है, प्रति यूनिट लागत कम करती है, और उच्च-शक्ति उपकरणों की जरूरतों को पूरा करती है।
उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता
जबकि वर्तमान क्रिस्टल में बहुत सुधार हुआ है, चुनौतियां बनी हुई हैं जैसे कि माइक्रोपीप्स, अव्यवस्थाएं और अशुद्धियां। उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों को प्राप्त करने के लिए इन दोषों को खत्म करना महत्वपूर्ण है।
लागत में कमी
SiC क्रिस्टल विकास की उच्च लागत व्यापक रूप से अपनाने में एक बाधा है। प्रक्रिया अनुकूलन, बेहतर संसाधन उपयोग और सस्ते कच्चे माल के माध्यम से लागत कम करना अनुसंधान का एक प्रमुख क्षेत्र है।
बुद्धिमान विनिर्माण
AI और बड़े डेटा में प्रगति के साथ, बुद्धिमान क्रिस्टल विकास क्षितिज पर है। सेंसर और स्वचालित नियंत्रण प्रणाली वास्तविक समय में स्थितियों की निगरानी और समायोजन कर सकती हैं, जिससे स्थिरता और पुनरुत्पादन क्षमता में सुधार होता है। डेटा एनालिटिक्स उपज और गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए प्रक्रिया को और परिष्कृत कर सकता है।
सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल के उत्पादन के मुख्य तरीकों में फिजिकल वेपर ट्रांसपोर्ट (PVT), टॉप-सीडेड सॉल्यूशन ग्रोथ (TSSG), और हाई-टेंपरेचर केमिकल वेपर डिपोजिशन (HT-CVD) शामिल हैं।
इनमें से, PVT औद्योगिक उत्पादन में सबसे व्यापक रूप से अपनाया जाने वाला तरीका है, क्योंकि इसमें अपेक्षाकृत सरल उपकरण सेटअप, नियंत्रण में आसानी और कम उपकरण और परिचालन लागत शामिल हैं।
PVT विधि का उपयोग करके SiC एकल क्रिस्टल उगाते समय, निम्नलिखित तकनीकी पहलू महत्वपूर्ण हैं:
थर्मल क्षेत्र में उपयोग किए जाने वाले ग्रेफाइट को सख्त शुद्धता आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए। ग्रेफाइट भागों में अशुद्धता की मात्रा 5×10⁻⁶ से कम होनी चाहिए, जबकि इन्सुलेशन फेल्ट 10×10⁻⁶ से कम होना चाहिए। विशेष रूप से, बोरॉन (B) और एल्यूमीनियम (Al) की मात्रा 0.1×10⁻⁶ से कम होनी चाहिए।
प्रयोगों से पता चला है कि C (0001) चेहरा 4H-SiC उगाने के लिए उपयुक्त है, जबकि Si (0001) चेहरे का उपयोग 6H-SiC विकास के लिए किया जाता है।
ऑफ-एक्सिस बीज विकास समरूपता को तोड़ने और परिणामी क्रिस्टल में दोषों को कम करने में मदद करते हैं।
स्थिर विकास के लिए बीज क्रिस्टल और सब्सट्रेट के बीच विश्वसनीय बंधन आवश्यक है।
विकास चक्र के दौरान, समान गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए क्रिस्टल विकास इंटरफ़ेस की स्थिरता बनाए रखना महत्वपूर्ण है।
SiC पाउडर में डोपिंग तकनीक
सेरियम (Ce) के साथ डोपिंग सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर एकल-पॉलीटाइप 4H-SiC के स्थिर विकास को बढ़ावा देता है। यह डोपिंग तकनीक कर सकती है:
विकास दर बढ़ाएँ;
क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास बढ़ाएँ;
अशुद्धता समावेशन और दोष निर्माण को दबाएँ;
उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल की उपज में सुधार करें;
पिछली तरफ के संक्षारण को रोकें और मोनोक्रिस्टलिनिटी बढ़ाएँ।
अक्षीय और रेडियल तापमान प्रवणता नियंत्रण
अक्षीय प्रवणता क्रिस्टल आकृति विज्ञान और विकास दक्षता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। एक प्रवणता जो बहुत छोटी है, वह पॉलीटाइप मिश्रण और वाष्प परिवहन में कमी ला सकती है। इष्टतम अक्षीय और रेडियल प्रवणता तेजी से, स्थिर क्रिस्टल विकास का समर्थन करती है।
बेसल प्लेन डिसलोकेशन (BPD) नियंत्रण
BPD तब उत्पन्न होते हैं जब आंतरिक कतरनी तनाव महत्वपूर्ण सीमा से अधिक हो जाता है, आमतौर पर विकास और शीतलन के दौरान। इन तनावों का प्रबंधन BPD दोषों को कम करने की कुंजी है।
गैस चरण संरचना अनुपात नियंत्रण
वाष्प चरण में कार्बन-से-सिलिकॉन अनुपात को बढ़ाने से एकल-पॉलीटाइप विकास को स्थिर करने और मैक्रो-स्टेप बंचिंग को रोकने में मदद मिलती है, जिससे पॉलीटाइप निर्माण को दबाया जाता है।
कम-तनाव क्रिस्टल विकास तकनीक
आंतरिक तनाव जाली विरूपण, क्रिस्टल क्रैकिंग और बढ़ती अव्यवस्था घनत्व का कारण बन सकता है, जो सभी क्रिस्टल गुणवत्ता और डाउनस्ट्रीम डिवाइस प्रदर्शन को कम करते हैं। तनाव को कम किया जा सकता है:
लगभग-संतुलन विकास के लिए तापमान क्षेत्र और प्रक्रिया अनुकूलन;
क्रूसिबल संरचना को फिर से डिज़ाइन करना ताकि मुक्त क्रिस्टल विस्तार हो सके;
थर्मल विस्तार बेमेल को कम करने के लिए बीज और ग्रेफाइट धारक के बीच 2 मिमी का अंतर छोड़कर बीज माउंटिंग विधियों में सुधार करना;
अवशिष्ट तनाव को छोड़ने के लिए भट्टी में क्रिस्टल को एनीलिंग करना, तापमान और अवधि का सावधानीपूर्वक समायोजन करना।
बड़ा क्रिस्टल आकार
SiC एकल क्रिस्टल का व्यास कुछ मिलीमीटर से बढ़कर 6-इंच, 8-इंच और यहां तक कि 12-इंच वेफर्स तक हो गया है। पैमाने में वृद्धि उत्पादन दक्षता में सुधार करती है, प्रति यूनिट लागत कम करती है, और उच्च-शक्ति उपकरणों की जरूरतों को पूरा करती है।
उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता
जबकि वर्तमान क्रिस्टल में बहुत सुधार हुआ है, चुनौतियां बनी हुई हैं जैसे कि माइक्रोपीप्स, अव्यवस्थाएं और अशुद्धियां। उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों को प्राप्त करने के लिए इन दोषों को खत्म करना महत्वपूर्ण है।
लागत में कमी
SiC क्रिस्टल विकास की उच्च लागत व्यापक रूप से अपनाने में एक बाधा है। प्रक्रिया अनुकूलन, बेहतर संसाधन उपयोग और सस्ते कच्चे माल के माध्यम से लागत कम करना अनुसंधान का एक प्रमुख क्षेत्र है।
बुद्धिमान विनिर्माण
AI और बड़े डेटा में प्रगति के साथ, बुद्धिमान क्रिस्टल विकास क्षितिज पर है। सेंसर और स्वचालित नियंत्रण प्रणाली वास्तविक समय में स्थितियों की निगरानी और समायोजन कर सकती हैं, जिससे स्थिरता और पुनरुत्पादन क्षमता में सुधार होता है। डेटा एनालिटिक्स उपज और गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए प्रक्रिया को और परिष्कृत कर सकता है।
