सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट वेफर: सिलिकॉन, GaAs, SiC और GaN के भौतिक गुण

01. की मूल बातेंसेमीकंडक्टर सब्सट्रेट वेफर

1.1 सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट की परिभाषा

सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट सेमीकंडक्टर उपकरणों के निर्माण में उपयोग की जाने वाली मूल सामग्री को संदर्भित करता है, आमतौर पर अत्यधिक शुद्ध और क्रिस्टल विकास तकनीक द्वारा बनाई गई एकल क्रिस्टल या पॉलीक्रिस्टलाइन सामग्री। सब्सट्रेट वेफर्स आमतौर पर पतली और ठोस शीट संरचनाएं होती हैं, जिन पर विभिन्न अर्धचालक उपकरण और सर्किट निर्मित होते हैं। सब्सट्रेट की शुद्धता और गुणवत्ता सीधे अंतिम अर्धचालक उपकरण के प्रदर्शन और विश्वसनीयता को प्रभावित करती है।

1.2 सब्सट्रेट वेफर्स की भूमिका और अनुप्रयोग क्षेत्र

सब्सट्रेट वेफर्स सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। उपकरणों और सर्किट के आधार के रूप में, सब्सट्रेट वेफर्स न केवल पूरे डिवाइस की संरचना का समर्थन करते हैं, बल्कि विद्युत, थर्मल और यांत्रिक पहलुओं में भी आवश्यक समर्थन प्रदान करते हैं। इसके मुख्य कार्यों में शामिल हैं:

यांत्रिक समर्थन: बाद के विनिर्माण चरणों का समर्थन करने के लिए एक स्थिर संरचनात्मक आधार प्रदान करें।

थर्मल प्रबंधन: डिवाइस के प्रदर्शन को ओवरहीटिंग से प्रभावित होने से रोकने के लिए गर्मी को खत्म करने में मदद करें।

विद्युत विशेषताओं: उपकरण के विद्युत गुणों को प्रभावित करते हैं, जैसे चालकता, वाहक गतिशीलता, आदि।

अनुप्रयोग क्षेत्रों के संदर्भ में, सब्सट्रेट वेफर्स का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है:

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण: जैसे एकीकृत सर्किट (आईसी), माइक्रोप्रोसेसर, आदि।

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण: जैसे एलईडी, लेजर, फोटोडिटेक्टर, आदि।

उच्च आवृत्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरण: जैसे आरएफ एम्पलीफायर, माइक्रोवेव डिवाइस, आदि।

पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरण: जैसे पावर कन्वर्टर, इनवर्टर, आदि।

02. अर्धचालक सामग्री और उनके गुण

सिलिकॉन (Si) सब्सट्रेट

· सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन और पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के बीच अंतर:

सिलिकॉन सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला अर्धचालक पदार्थ है, मुख्य रूप से एकल क्रिस्टल सिलिकॉन और पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के रूप में। सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन एक सतत क्रिस्टल संरचना से बना है, जिसमें उच्च शुद्धता और दोष-मुक्त विशेषताएं हैं, जो उच्च प्रदर्शन वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए बहुत उपयुक्त है। पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन कई अनाजों से बना होता है, और अनाजों के बीच अनाज की सीमाएँ होती हैं। यद्यपि विनिर्माण लागत कम है, विद्युत प्रदर्शन खराब है, इसलिए इसका उपयोग आमतौर पर कुछ कम-प्रदर्शन या बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग परिदृश्यों, जैसे सौर कोशिकाओं में किया जाता है।

·सिलिकॉन सब्सट्रेट के इलेक्ट्रॉनिक गुण और फायदे:

सिलिकॉन सब्सट्रेट में अच्छे इलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं, जैसे उच्च वाहक गतिशीलता और मध्यम ऊर्जा अंतर (1.1 ईवी), जो सिलिकॉन को अधिकांश अर्धचालक उपकरणों के निर्माण के लिए एक आदर्श सामग्री बनाते हैं।

इसके अलावा, सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स के निम्नलिखित फायदे हैं:

उच्च शुद्धता: उन्नत शुद्धिकरण और विकास तकनीकों के माध्यम से, बहुत उच्च शुद्धता वाला सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन प्राप्त किया जा सकता है।

लागत प्रभावशीलता: अन्य अर्धचालक सामग्रियों की तुलना में, सिलिकॉन की लागत कम है और विनिर्माण प्रक्रिया परिपक्व है।

ऑक्साइड का निर्माण: सिलिकॉन स्वाभाविक रूप से सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) की एक परत बना सकता है, जो डिवाइस निर्माण में एक अच्छी इन्सुलेट परत के रूप में काम कर सकता है।

गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) सब्सट्रेट

· GaAs की उच्च-आवृत्ति विशेषताएँ:

गैलियम आर्सेनाइड एक यौगिक अर्धचालक है जो अपनी उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और व्यापक बैंडगैप के कारण उच्च आवृत्ति और उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। GaAs उपकरण उच्च दक्षता और कम शोर स्तर के साथ उच्च आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं। यह GaAs को माइक्रोवेव और मिलीमीटर तरंग अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण सामग्री बनाता है।

· ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और उच्च आवृत्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में GaAs का अनुप्रयोग:

अपने प्रत्यक्ष बैंडगैप के कारण, GaAs का ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में भी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, GaAs सामग्रियों का व्यापक रूप से LED और लेजर के निर्माण में उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, GaAs की उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता इसे आरएफ एम्पलीफायरों, माइक्रोवेव उपकरणों और उपग्रह संचार उपकरणों में अच्छा प्रदर्शन करती है।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सब्सट्रेट

· SiC की तापीय चालकता और उच्च शक्ति गुण:

सिलिकॉन कार्बाइड उत्कृष्ट तापीय चालकता और उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र वाला एक विस्तृत बैंडगैप अर्धचालक है। ये गुण SiC को उच्च शक्ति और उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयुक्त बनाते हैं। SiC उपकरण सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में कई गुना अधिक वोल्टेज और तापमान पर स्थिर रूप से काम कर सकते हैं।

· विद्युत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में SiC के लाभ:

SiC सबस्ट्रेट्स बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में महत्वपूर्ण लाभ दिखाते हैं, जैसे कम स्विचिंग नुकसान और उच्च दक्षता। यह SiC को इलेक्ट्रिक वाहनों, पवन और सौर इनवर्टर जैसे उच्च शक्ति रूपांतरण अनुप्रयोगों में तेजी से लोकप्रिय बनाता है। इसके अलावा, अपने उच्च तापमान प्रतिरोध के कारण SiC का व्यापक रूप से एयरोस्पेस और औद्योगिक नियंत्रण में उपयोग किया जाता है।

गैलियम नाइट्राइड (GaN) सब्सट्रेट

· उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और GaN के ऑप्टिकल गुण:

गैलियम नाइट्राइड अत्यधिक उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और मजबूत ऑप्टिकल गुणों वाला एक और व्यापक बैंडगैप अर्धचालक है। GaN की उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता इसे उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति अनुप्रयोगों में बहुत कुशल बनाती है। साथ ही, GaN विभिन्न प्रकार के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उपयुक्त, पराबैंगनी से दृश्यमान सीमा में प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है।

· बिजली और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में GaN का अनुप्रयोग:

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, GaN डिवाइस अपने उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र और कम ऑन-प्रतिरोध के कारण बिजली आपूर्ति और आरएफ एम्पलीफायरों को स्विच करने में उत्कृष्टता प्राप्त करते हैं। साथ ही, GaN ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, विशेष रूप से एलईडी और लेजर डायोड के निर्माण में, प्रकाश और प्रदर्शन प्रौद्योगिकियों की प्रगति को बढ़ावा देता है।

· अर्धचालकों में उभरती सामग्रियों की संभावना:

विज्ञान और प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, गैलियम ऑक्साइड (Ga2O3) और हीरे जैसी उभरती अर्धचालक सामग्रियों ने काफी संभावनाएं दिखाई हैं। गैलियम ऑक्साइड में अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप (4.9 ईवी) है और यह उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए बहुत उपयुक्त है, जबकि हीरा अपने उत्कृष्ट थर्मल के कारण अगली पीढ़ी के उच्च-शक्ति और उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श सामग्री माना जाता है। चालकता और अत्यंत उच्च वाहक गतिशीलता। इन नई सामग्रियों से भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की उम्मीद है।

03. वेफर निर्माण प्रक्रिया

3.1 सब्सट्रेट वेफर्स की विकास तकनीक

3.1.1 सीज़ोक्राल्स्की विधि (सीजेड विधि)

सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन वेफर्स के निर्माण के लिए Czochralski विधि सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि है। यह एक बीज क्रिस्टल को पिघले हुए सिलिकॉन में डुबो कर और फिर धीरे-धीरे बाहर खींचकर किया जाता है, ताकि पिघला हुआ सिलिकॉन बीज क्रिस्टल पर क्रिस्टलीकृत हो जाए और एक क्रिस्टल में विकसित हो जाए। यह विधि बड़े आकार, उच्च गुणवत्ता वाले एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन का उत्पादन कर सकती है, जो बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट के निर्माण के लिए बहुत उपयुक्त है।

3.1.2 ब्रिजमैन विधि

ब्रिजमैन विधि का उपयोग आमतौर पर गैलियम आर्सेनाइड जैसे यौगिक अर्धचालकों को उगाने के लिए किया जाता है। इस विधि में, कच्चे माल को एक क्रूसिबल में पिघली हुई अवस्था तक गर्म किया जाता है और फिर एक क्रिस्टल बनाने के लिए धीरे-धीरे ठंडा किया जाता है। ब्रिजमैन विधि क्रिस्टल की वृद्धि दर और दिशा को नियंत्रित कर सकती है और जटिल यौगिक अर्धचालकों के उत्पादन के लिए उपयुक्त है।

3.1.3 आण्विक किरण एपिटैक्सी (एमबीई)

आणविक बीम एपिटैक्सी एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग सब्सट्रेट्स पर अति पतली अर्धचालक परतों को विकसित करने के लिए किया जाता है। यह अति-उच्च निर्वात वातावरण में विभिन्न तत्वों के आणविक बीमों को सटीक रूप से नियंत्रित करके और उन्हें सब्सट्रेट पर परत दर परत जमा करके उच्च गुणवत्ता वाली क्रिस्टल परतें बनाता है। एमबीई तकनीक विशेष रूप से उच्च परिशुद्धता क्वांटम डॉट्स और अल्ट्रा-थिन हेटेरोजंक्शन संरचनाओं के निर्माण के लिए उपयुक्त है।

3.1.4 रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी)

रासायनिक वाष्प जमाव एक पतली फिल्म जमाव तकनीक है जिसका व्यापक रूप से अर्धचालक और अन्य उच्च प्रदर्शन सामग्री के निर्माण में उपयोग किया जाता है। सीवीडी गैसीय पूर्ववर्तियों को विघटित करता है और उन्हें एक ठोस फिल्म बनाने के लिए सब्सट्रेट सतह पर जमा करता है। सीवीडी तकनीक अत्यधिक नियंत्रित मोटाई और संरचना वाली फिल्मों का उत्पादन कर सकती है, जो जटिल उपकरणों के निर्माण के लिए बहुत उपयुक्त है।

3.2 वेफर काटना और पॉलिश करना

3.2.1 सिलिकॉन वेफर काटने की तकनीक

क्रिस्टल का विकास पूरा होने के बाद, बड़े क्रिस्टल को वेफर्स बनाने के लिए पतली स्लाइस में काटा जाएगा। सिलिकॉन वेफर कटिंग आमतौर पर कटिंग की सटीकता सुनिश्चित करने और सामग्री के नुकसान को कम करने के लिए डायमंड सॉ ब्लेड या वायर सॉ तकनीक का उपयोग करती है। यह सुनिश्चित करने के लिए काटने की प्रक्रिया को सटीक रूप से नियंत्रित करने की आवश्यकता है कि वेफर की मोटाई और सतह की समतलता आवश्यकताओं को पूरा करती है।

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