സെമികണ്ടക്ടർ ഉൽപ്പാദനത്തിനുള്ള പ്രധാന അസംസ്കൃത വസ്തുക്കൾ: വേഫർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ തരങ്ങൾ

സെമികണ്ടക്ടർ ഉപകരണങ്ങളിലെ പ്രധാന വസ്തുക്കളായി വേഫർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ

വേഫർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളുടെ ഭൗതിക വാഹകരാണ്, അവയുടെ മെറ്റീരിയൽ ഗുണങ്ങളാണ് ഉപകരണ പ്രകടനം, വില, ആപ്ലിക്കേഷൻ ഫീൽഡുകൾ എന്നിവ നേരിട്ട് നിർണ്ണയിക്കുന്നത്. വേഫർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ പ്രധാന തരങ്ങളും അവയുടെ ഗുണങ്ങളും ദോഷങ്ങളും ചുവടെയുണ്ട്:

1.സിലിക്കൺ (Si)

• വിപണി പങ്കാളിത്തം:ആഗോള സെമികണ്ടക്ടർ വിപണിയുടെ 95% ത്തിലധികവും ഇത് വഹിക്കുന്നു.

• പ്രയോജനങ്ങൾ:

  • ചെലവുകുറഞ്ഞത്:സമൃദ്ധമായ അസംസ്കൃത വസ്തുക്കൾ (സിലിക്കൺ ഡൈ ഓക്സൈഡ്), പക്വമായ നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകൾ, ശക്തമായ സ്കെയിൽ സമ്പദ്‌വ്യവസ്ഥ.

  • ഉയർന്ന പ്രോസസ്സ് അനുയോജ്യത:CMOS സാങ്കേതികവിദ്യ വളരെ പക്വതയുള്ളതാണ്, നൂതന നോഡുകളെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നു (ഉദാ. 3nm).

  • മികച്ച ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരം:കുറഞ്ഞ വൈകല്യ സാന്ദ്രതയുള്ള വലിയ വ്യാസമുള്ള വേഫറുകൾ (പ്രധാനമായും 12 ഇഞ്ച്, 18 ഇഞ്ച് വികസിപ്പിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു) വളർത്താം.

  • സ്ഥിരതയുള്ള മെക്കാനിക്കൽ ഗുണങ്ങൾ:മുറിക്കാനും, മിനുക്കാനും, കൈകാര്യം ചെയ്യാനും എളുപ്പമാണ്.

• പോരായ്മകൾ:

  • ഇടുങ്ങിയ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് (1.12 eV):ഉയർന്ന താപനിലയിൽ ഉയർന്ന ചോർച്ച കറന്റ്, പവർ ഉപകരണ കാര്യക്ഷമത പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു.

  • പരോക്ഷ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ്:വളരെ കുറഞ്ഞ പ്രകാശ ഉദ്‌വമന കാര്യക്ഷമത, എൽഇഡികൾ, ലേസറുകൾ പോലുള്ള ഒപ്‌റ്റോ ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾക്ക് അനുയോജ്യമല്ല.

  • പരിമിതമായ ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി:സംയുക്ത അർദ്ധചാലകങ്ങളെ അപേക്ഷിച്ച് താഴ്ന്ന ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി പ്രകടനം.
    

2.ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് (GaAs)

• അപേക്ഷകൾ:ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി RF ഉപകരണങ്ങൾ (5G/6G), ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ (ലേസറുകൾ, സോളാർ സെല്ലുകൾ).

• പ്രയോജനങ്ങൾ:

  • ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി (സിലിക്കണിന്റെ 5–6×):മില്ലിമീറ്റർ-വേവ് ആശയവിനിമയം പോലുള്ള ഉയർന്ന വേഗതയുള്ള, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് അനുയോജ്യം.

  • നേരിട്ടുള്ള ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് (1.42 eV):ഇൻഫ്രാറെഡ് ലേസറുകളുടെയും എൽഇഡികളുടെയും അടിസ്ഥാനം, ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതയുള്ള ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് പരിവർത്തനം.

  • ഉയർന്ന താപനിലയ്ക്കും വികിരണ പ്രതിരോധത്തിനും:ബഹിരാകാശ യാത്രകൾക്കും കഠിനമായ ചുറ്റുപാടുകൾക്കും അനുയോജ്യം.

• പോരായ്മകൾ:

  • ഉയർന്ന വില:വിരളമായ വസ്തു, ബുദ്ധിമുട്ടുള്ള പരൽ വളർച്ച (സ്ഥാനചലനത്തിന് സാധ്യത), പരിമിതമായ വേഫർ വലുപ്പം (പ്രധാനമായും 6-ഇഞ്ച്).

  • പൊട്ടുന്ന മെക്കാനിക്സ്:പൊട്ടാൻ സാധ്യതയുള്ളതിനാൽ സംസ്കരണ വിളവ് കുറയുന്നു.

  • വിഷാംശം:ആർസെനിക് കർശനമായ കൈകാര്യം ചെയ്യലും പരിസ്ഥിതി നിയന്ത്രണങ്ങളും ആവശ്യമാണ്.

3. സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC)

• അപേക്ഷകൾ:ഉയർന്ന താപനിലയും ഉയർന്ന വോൾട്ടേജും ഉള്ള പവർ ഉപകരണങ്ങൾ (ഇവി ഇൻവെർട്ടറുകൾ, ചാർജിംഗ് സ്റ്റേഷനുകൾ), എയ്‌റോസ്‌പേസ്.

• പ്രയോജനങ്ങൾ:

  • വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് (3.26 eV):ഉയർന്ന തകർച്ച ശക്തി (സിലിക്കണിനേക്കാൾ 10×), ഉയർന്ന താപനില സഹിഷ്ണുത (പ്രവർത്തന താപനില >200 °C).

  • ഉയർന്ന താപ ചാലകത (≈3× സിലിക്കൺ):മികച്ച താപ വിസർജ്ജനം, ഇത് ഉയർന്ന സിസ്റ്റം പവർ സാന്ദ്രത സാധ്യമാക്കുന്നു.

  • കുറഞ്ഞ സ്വിച്ചിംഗ് നഷ്ടം:പവർ കൺവേർഷൻ കാര്യക്ഷമത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു.

• പോരായ്മകൾ:

  • വെല്ലുവിളി നിറഞ്ഞ അടിവസ്ത്ര തയ്യാറെടുപ്പ്:മന്ദഗതിയിലുള്ള പരൽ വളർച്ച (> 1 ആഴ്ച), ബുദ്ധിമുട്ടുള്ള വൈകല്യ നിയന്ത്രണം (മൈക്രോപൈപ്പുകൾ, സ്ഥാനഭ്രംശങ്ങൾ), വളരെ ഉയർന്ന വില (5–10× സിലിക്കൺ).

  • ചെറിയ വേഫർ വലുപ്പം:പ്രധാനമായും 4–6 ഇഞ്ച്; 8 ഇഞ്ച് ഇപ്പോഴും വികസനത്തിലാണ്.

  • പ്രോസസ്സ് ചെയ്യാൻ പ്രയാസമാണ്:വളരെ കഠിനമാണ് (മോഹ്സ് 9.5), മുറിക്കുന്നതിനും മിനുക്കുന്നതിനും സമയമെടുക്കും.

4. ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് (GaN)

• അപേക്ഷകൾ:ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി പവർ ഉപകരണങ്ങൾ (ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗ്, 5G ബേസ് സ്റ്റേഷനുകൾ), നീല LED-കൾ/ലേസറുകൾ.

• പ്രയോജനങ്ങൾ:

  • അൾട്രാ-ഹൈ ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി + വൈഡ് ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് (3.4 eV):ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി (>100 GHz) ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് പ്രകടനവും സംയോജിപ്പിക്കുന്നു.

  • കുറഞ്ഞ ഓൺ-റെസിസ്റ്റൻസ്:ഉപകരണത്തിന്റെ പവർ നഷ്ടം കുറയ്ക്കുന്നു.

  • ഹെറ്ററോഎപിറ്റാക്സി അനുയോജ്യം:സാധാരണയായി സിലിക്കൺ, സഫയർ, അല്ലെങ്കിൽ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ വളർത്തുന്നു, ഇത് ചെലവ് കുറയ്ക്കുന്നു.

• പോരായ്മകൾ:

  • ബൾക്ക് സിംഗിൾ-ക്രിസ്റ്റൽ വളർച്ച ബുദ്ധിമുട്ടാണ്:ഹെറ്ററോഎപിറ്റാക്സി മുഖ്യധാരയിലാണ്, പക്ഷേ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് വൈകല്യങ്ങൾക്ക് കാരണമാകുന്നു.

  • ഉയർന്ന വില:നേറ്റീവ് GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ വളരെ ചെലവേറിയതാണ് (ഒരു 2 ഇഞ്ച് വേഫറിന് ആയിരക്കണക്കിന് യുഎസ് ഡോളർ വിലവരും).

  • വിശ്വാസ്യതാ വെല്ലുവിളികൾ:കറന്റ് തകർച്ച പോലുള്ള പ്രതിഭാസങ്ങൾക്ക് ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ ആവശ്യമാണ്.

5. ഇൻഡിയം ഫോസ്ഫൈഡ് (InP)

• അപേക്ഷകൾ:ഹൈ-സ്പീഡ് ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ് (ലേസറുകൾ, ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകൾ), ടെറാഹെർട്സ് ഉപകരണങ്ങൾ.

• പ്രയോജനങ്ങൾ:

  • അൾട്രാ-ഹൈ ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി:100 GHz-ൽ കൂടുതൽ പ്രവർത്തനത്തെ പിന്തുണയ്ക്കുന്നു, GaA-കളെ മറികടക്കുന്നു.

  • തരംഗദൈർഘ്യ പൊരുത്തമുള്ള നേരിട്ടുള്ള ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ്:1.3–1.55 μm ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബർ ആശയവിനിമയത്തിനുള്ള കോർ മെറ്റീരിയൽ.

• പോരായ്മകൾ:

  • പൊട്ടുന്നതും വളരെ ചെലവേറിയതും:സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ വില 100× സിലിക്കണിൽ കൂടുതലാണ്, പരിമിതമായ വേഫർ വലുപ്പങ്ങൾ (4–6 ഇഞ്ച്).

6. നീലക്കല്ല് (Al₂O₃)

• അപേക്ഷകൾ:LED ലൈറ്റിംഗ് (GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ്), കൺസ്യൂമർ ഇലക്ട്രോണിക്സ് കവർ ഗ്ലാസ്.

• പ്രയോജനങ്ങൾ:

  • ചെലവുകുറഞ്ഞത്:SiC/GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളേക്കാൾ വളരെ വിലകുറഞ്ഞത്.

  • മികച്ച രാസ സ്ഥിരത:നാശന പ്രതിരോധം, ഉയർന്ന ഇൻസുലേറ്റിംഗ്.

  • സുതാര്യത:ലംബമായ LED ഘടനകൾക്ക് അനുയോജ്യം.

• പോരായ്മകൾ:

  • GaN (>13%) യുമായുള്ള വലിയ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട്:ഉയർന്ന വൈകല്യ സാന്ദ്രതയ്ക്ക് കാരണമാകുന്നു, ബഫർ പാളികൾ ആവശ്യമാണ്.

  • മോശം താപ ചാലകത (~1/20 സിലിക്കൺ):ഉയർന്ന പവർ LED-കളുടെ പ്രകടനം പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു.

7. സെറാമിക് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ (AlN, BeO, മുതലായവ)

• അപേക്ഷകൾ:ഉയർന്ന പവർ മൊഡ്യൂളുകൾക്കുള്ള ഹീറ്റ് സ്പ്രെഡറുകൾ.

• പ്രയോജനങ്ങൾ:

  • ഇൻസുലേറ്റിംഗ് + ഉയർന്ന താപ ചാലകത (AlN: 170–230 W/m·K):ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള പാക്കേജിംഗിന് അനുയോജ്യം.

• പോരായ്മകൾ:

  • നോൺ-സിംഗിൾ-ക്രിസ്റ്റൽ:ഉപകരണ വളർച്ചയെ നേരിട്ട് പിന്തുണയ്ക്കാൻ കഴിയില്ല, പാക്കേജിംഗ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളായി മാത്രം ഉപയോഗിക്കുന്നു.

8. പ്രത്യേക അടിവസ്ത്രങ്ങൾ

• SOI (ഇൻസുലേറ്ററിൽ സിലിക്കൺ):

  • ഘടന:സിലിക്കൺ/SiO₂/സിലിക്കൺ സാൻഡ്‌വിച്ച്.

  • പ്രയോജനങ്ങൾ:പരാദ കപ്പാസിറ്റൻസ്, റേഡിയേഷൻ-ഹാർഡൻഡ്, ചോർച്ച തടയൽ (RF, MEMS-ൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു) എന്നിവ കുറയ്ക്കുന്നു.

  • പോരായ്മകൾ:ബൾക്ക് സിലിക്കണിനേക്കാൾ 30–50% കൂടുതൽ വില.

• ക്വാർട്സ് (SiO₂):ഫോട്ടോമാസ്കുകളിലും MEMS കളിലും ഉപയോഗിക്കുന്നു; ഉയർന്ന താപനിലയെ പ്രതിരോധിക്കും, പക്ഷേ വളരെ പൊട്ടുന്നതാണ്.

• വജ്രം:ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് (>2000 W/m·K), ഉയർന്ന താപ വിസർജ്ജനത്തിനായുള്ള ഗവേഷണ വികസനത്തിന് കീഴിൽ.

താരതമ്യ സംഗ്രഹ പട്ടിക

അടിവസ്ത്ര തിരഞ്ഞെടുപ്പിനുള്ള പ്രധാന ഘടകങ്ങൾ

• പ്രകടന ആവശ്യകതകൾ:ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസിക്ക് GaAs/InP; ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ്, ഉയർന്ന താപനിലയ്ക്ക് SiC; ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക്‌സിന് GaAs/InP/GaN.

• ചെലവ് നിയന്ത്രണങ്ങൾ:ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ് സിലിക്കണിനെ അനുകൂലിക്കുന്നു; ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള ഫീൽഡുകൾക്ക് SiC/GaN പ്രീമിയങ്ങളെ ന്യായീകരിക്കാൻ കഴിയും.

• സംയോജന സങ്കീർണ്ണത:CMOS അനുയോജ്യതയ്ക്ക് സിലിക്കൺ ഒഴിച്ചുകൂടാനാവാത്തതാണ്.

• താപ മാനേജ്മെന്റ്:ഉയർന്ന പവർ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ SiC അല്ലെങ്കിൽ വജ്രം അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള GaN ഇഷ്ടപ്പെടുന്നു.

• വിതരണ ശൃംഖലയുടെ കാലാവധി:Si > Sapphire > GaAs > SiC > GaN > InP.

ഭാവി പ്രവണത

വൈവിധ്യമാർന്ന സംയോജനം (ഉദാഹരണത്തിന്, GaN-on-Si, GaN-on-SiC) പ്രകടനത്തെയും ചെലവിനെയും സന്തുലിതമാക്കും, 5G, ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങൾ, ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് എന്നിവയിലെ പുരോഗതിക്ക് കാരണമാകും.