सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल के विकास के मुख्य तरीकों में भौतिक वाष्प परिवहन (पीवीटी), शीर्ष-बीजित घोल विकास (टीएसएसजी), और उच्च तापमान रासायनिक वाष्प जमाव (एचटी-सीवीडी) शामिल हैं।

इनमें से, पीवीटी विधि अपने अपेक्षाकृत सरल उपकरण सेटअप, संचालन और नियंत्रण में आसानी, तथा कम उपकरण और परिचालन लागत के कारण औद्योगिक उत्पादन के लिए प्राथमिक तकनीक बन गई है।

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पीवीटी विधि का उपयोग करके SiC क्रिस्टल विकास के प्रमुख तकनीकी बिंदु

पीवीटी विधि का उपयोग करके सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल विकसित करने के लिए, कई तकनीकी पहलुओं को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए:

1. तापीय क्षेत्र में ग्रेफाइट पदार्थों की शुद्धता
   क्रिस्टल वृद्धि तापीय क्षेत्र में प्रयुक्त ग्रेफाइट सामग्री को शुद्धता की सख्त आवश्यकताओं को पूरा करना होगा। ग्रेफाइट घटकों में अशुद्धता की मात्रा 5×10⁻⁶ से कम होनी चाहिए, और इन्सुलेशन फ़ेल्ट में 10×10⁻⁶ से कम होनी चाहिए। विशेष रूप से, बोरॉन (B) और एल्युमीनियम (Al) की मात्रा 0.1×10⁻⁶ से कम होनी चाहिए।

2. बीज क्रिस्टल की सही ध्रुवता
   अनुभवजन्य डेटा से पता चलता है कि सी-फेस (0001) 4H-SiC क्रिस्टल के विकास के लिए उपयुक्त है, जबकि Si-फेस (0001) 6H-SiC विकास के लिए उपयुक्त है।

3. ऑफ-एक्सिस बीज क्रिस्टल का उपयोग
   ऑफ-एक्सिस बीज विकास समरूपता को बदल सकते हैं, क्रिस्टल दोषों को कम कर सकते हैं, और बेहतर क्रिस्टल गुणवत्ता को बढ़ावा दे सकते हैं।

4. विश्वसनीय बीज क्रिस्टल बॉन्डिंग तकनीक
   विकास के दौरान स्थिरता के लिए बीज क्रिस्टल और धारक के बीच उचित संबंध आवश्यक है।

5. विकास इंटरफ़ेस की स्थिरता बनाए रखना
   संपूर्ण क्रिस्टल विकास चक्र के दौरान, उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल विकास को सुनिश्चित करने के लिए विकास इंटरफ़ेस स्थिर रहना चाहिए।

 

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SiC क्रिस्टल विकास में मुख्य प्रौद्योगिकियां

1. SiC पाउडर के लिए डोपिंग तकनीक

SiC पाउडर को सेरियम (Ce) के साथ मिलाने से 4H-SiC जैसे एकल पॉलीटाइप की वृद्धि स्थिर हो सकती है। अभ्यास से पता चला है कि Ce मिलाने से:

• SiC क्रिस्टल की वृद्धि दर में वृद्धि;

• अधिक समान और दिशात्मक विकास के लिए क्रिस्टल अभिविन्यास में सुधार;

• अशुद्धियों और दोषों को कम करना;

• क्रिस्टल के पीछे के भाग के क्षरण को रोकना;

• एकल क्रिस्टल उपज दर में वृद्धि.

2. अक्षीय और रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट का नियंत्रण

अक्षीय तापमान प्रवणताएँ क्रिस्टल पॉलीटाइप और वृद्धि दर को प्रभावित करती हैं। बहुत कम प्रवणता पॉलीटाइप समावेशन और वाष्प प्रावस्था में कम पदार्थ परिवहन का कारण बन सकती है। निरंतर गुणवत्ता के साथ तेज़ और स्थिर क्रिस्टल वृद्धि के लिए अक्षीय और रेडियल दोनों प्रवणताओं का अनुकूलन महत्वपूर्ण है।

3. बेसल प्लेन डिस्लोकेशन (बीपीडी) नियंत्रण प्रौद्योगिकी

बीपीडी मुख्य रूप से SiC क्रिस्टल में महत्वपूर्ण सीमा से अधिक अपरूपण प्रतिबल के कारण बनते हैं, जिससे स्लिप सिस्टम सक्रिय हो जाते हैं। चूँकि बीपीडी वृद्धि की दिशा के लंबवत होते हैं, इसलिए ये आमतौर पर क्रिस्टल वृद्धि और शीतलन के दौरान उत्पन्न होते हैं। आंतरिक प्रतिबल को कम करने से बीपीडी घनत्व में उल्लेखनीय कमी आ सकती है।

4. वाष्प चरण संरचना अनुपात नियंत्रण

वाष्प प्रावस्था में कार्बन-से-सिलिकॉन अनुपात बढ़ाना एकल पॉलीटाइप वृद्धि को बढ़ावा देने का एक सिद्ध तरीका है। उच्च C/Si अनुपात मैक्रोस्टेप बंचिंग को कम करता है और बीज क्रिस्टल से सतही विरासत को बनाए रखता है, जिससे अवांछित पॉलीटाइप का निर्माण रुक जाता है।

5. कम तनाव वाली विकास तकनीकें

क्रिस्टल वृद्धि के दौरान तनाव के कारण जालीदार तल वक्र हो सकते हैं, दरारें पड़ सकती हैं और BPD घनत्व बढ़ सकता है। ये दोष एपिटैक्सियल परतों तक पहुँच सकते हैं और उपकरण के प्रदर्शन पर नकारात्मक प्रभाव डाल सकते हैं।

आंतरिक क्रिस्टल तनाव को कम करने के लिए कई रणनीतियाँ शामिल हैं:

• निकट-संतुलन विकास को बढ़ावा देने के लिए तापीय क्षेत्र वितरण और प्रक्रिया मापदंडों को समायोजित करना;

• क्रिस्टल को यांत्रिक बाधा के बिना स्वतंत्र रूप से विकसित करने की अनुमति देने के लिए क्रूसिबल डिजाइन का अनुकूलन;

• गर्म करने के दौरान बीज और ग्रेफाइट के बीच तापीय विस्तार बेमेल को कम करने के लिए बीज धारक विन्यास में सुधार करना, अक्सर बीज और धारक के बीच 2 मिमी का अंतर छोड़कर;

• परिष्कृत तापानुशीतन प्रक्रियाएं, क्रिस्टल को भट्टी के साथ ठंडा होने देना, तथा आंतरिक तनाव को पूरी तरह से दूर करने के लिए तापमान और अवधि को समायोजित करना।

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SiC क्रिस्टल विकास प्रौद्योगिकी में रुझान

1. बड़े क्रिस्टल आकार
SiC सिंगल क्रिस्टल का व्यास कुछ मिलीमीटर से बढ़कर 6 इंच, 8 इंच और यहाँ तक कि 12 इंच के वेफ़र्स तक पहुँच गया है। बड़े वेफ़र्स उत्पादन क्षमता बढ़ाते हैं और लागत कम करते हैं, साथ ही उच्च-शक्ति वाले उपकरणों की ज़रूरतों को भी पूरा करते हैं।

2. उच्च क्रिस्टल गुणवत्ता
उच्च-गुणवत्ता वाले SiC क्रिस्टल उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों के लिए आवश्यक हैं। महत्वपूर्ण सुधारों के बावजूद, वर्तमान क्रिस्टल में अभी भी माइक्रोपाइप, अव्यवस्था और अशुद्धियाँ जैसे दोष दिखाई देते हैं, जो उपकरण के प्रदर्शन और विश्वसनीयता को कम कर सकते हैं।

3. लागत में कमी
SiC क्रिस्टल का उत्पादन अभी भी अपेक्षाकृत महंगा है, जिससे व्यापक रूप से इसका उपयोग सीमित है। अनुकूलित विकास प्रक्रियाओं, बढ़ी हुई उत्पादन क्षमता और कम कच्चे माल की लागत के माध्यम से लागत में कमी, बाजार अनुप्रयोगों के विस्तार के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

4. बुद्धिमान विनिर्माण
कृत्रिम बुद्धिमत्ता और बिग डेटा तकनीकों में प्रगति के साथ, SiC क्रिस्टल का विकास बुद्धिमान, स्वचालित प्रक्रियाओं की ओर बढ़ रहा है। सेंसर और नियंत्रण प्रणालियाँ वास्तविक समय में विकास स्थितियों की निगरानी और समायोजन कर सकती हैं, जिससे प्रक्रिया की स्थिरता और पूर्वानुमानशीलता में सुधार होता है। डेटा विश्लेषण प्रक्रिया मापदंडों और क्रिस्टल की गुणवत्ता को और बेहतर बना सकता है।

उच्च-गुणवत्ता वाली SiC एकल क्रिस्टल वृद्धि तकनीक का विकास अर्धचालक पदार्थों के अनुसंधान में एक प्रमुख केंद्र बिंदु है। जैसे-जैसे तकनीक आगे बढ़ेगी, क्रिस्टल वृद्धि विधियाँ विकसित और बेहतर होती जाएँगी, जो उच्च-तापमान, उच्च-आवृत्ति और उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में SiC अनुप्रयोगों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करेंगी।