ڈائمنڈ - سیمی کنڈکٹرز کا مستقبل کا ستارہ

سائنس اور ٹیکنالوجی کی تیز رفتار ترقی اور اعلیٰ کارکردگی اور اعلیٰ کارکردگی والے سیمی کنڈکٹر آلات کی بڑھتی ہوئی عالمی مانگ کے ساتھ، سیمی کنڈکٹر سبسٹریٹ مواد، سیمی کنڈکٹر انڈسٹری چین میں ایک کلیدی تکنیکی لنک کے طور پر، تیزی سے اہم ہوتا جا رہا ہے۔ ان میں سے، ہیرا، ایک ممکنہ چوتھی نسل کے "حتمی سیمی کنڈکٹر" مواد کے طور پر، اپنی بہترین طبعی اور کیمیائی خصوصیات کی وجہ سے دھیرے دھیرے ایک ریسرچ ہاٹ سپاٹ اور سیمی کنڈکٹر سبسٹریٹ میٹریل کے میدان میں ایک نیا مارکیٹ پسندیدہ بن رہا ہے۔

ہیرے کی خصوصیات

ڈائمنڈ ایک عام جوہری کرسٹل اور ہم آہنگی بانڈ کرسٹل ہے۔ کرسٹل کا ڈھانچہ شکل 1(a) میں دکھایا گیا ہے۔ یہ درمیانی کاربن ایٹم پر مشتمل ہوتا ہے جو ایک ہم آہنگی بانڈ کی شکل میں دوسرے تین کاربن ایٹموں سے منسلک ہوتا ہے۔ شکل 1(b) یونٹ سیل کا ڈھانچہ ہے، جو ہیرے کی خوردبینی مدت اور ساختی توازن کو ظاہر کرتا ہے۔

شکل 1 ڈائمنڈ (a) کرسٹل ڈھانچہ؛ (b) یونٹ سیل کا ڈھانچہ

ہیرا دنیا کا سب سے مشکل مواد ہے، جس میں منفرد طبعی اور کیمیائی خصوصیات ہیں، اور میکانکس، بجلی اور آپٹکس میں بہترین خصوصیات ہیں، جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے: ہیرے میں انتہائی سختی اور پہننے کی مزاحمت ہوتی ہے، جو مواد اور انڈینٹرز وغیرہ کو کاٹنے کے لیے موزوں ہے۔ .، اور کھرچنے والے اوزار میں اچھی طرح سے استعمال کیا جاتا ہے؛ (2) ہیرے میں آج تک معلوم قدرتی مادوں میں سب سے زیادہ تھرمل چالکتا (2200W/(m·K)) ہے، جو سلیکون کاربائیڈ (SiC) سے 4 گنا زیادہ، سلیکون (Si) سے 13 گنا زیادہ، اس سے 43 گنا زیادہ ہے۔ gallium arsenide (GaAs)، اور تانبے اور چاندی سے 4 سے 5 گنا زیادہ، اور زیادہ طاقت والے آلات میں استعمال ہوتا ہے۔ اس میں بہترین خصوصیات ہیں جیسے کم تھرمل ایکسپینشن گتانک (0.8×10-6-1.5×10^-6K^-1) اور اعلی لچکدار ماڈیولس۔ یہ اچھے امکانات کے ساتھ ایک بہترین الیکٹرانک پیکیجنگ مواد ہے۔ 

سوراخ کی نقل و حرکت 4500 cm2·V ہے۔^-1·s^-1، اور الیکٹران کی نقل و حرکت 3800 cm2·V ہے۔^-1·s^-1, جو اسے تیز رفتار سوئچنگ آلات پر لاگو کرتا ہے۔ بریک ڈاؤن فیلڈ کی طاقت 13MV/cm ہے، جسے ہائی وولٹیج والے آلات پر لاگو کیا جا سکتا ہے۔ قابلیت کا بالیگا اعداد و شمار 24664 تک زیادہ ہے، جو کہ دیگر مواد سے بہت زیادہ ہے (جتنا بڑا قدر، آلات سوئچنگ میں استعمال کی اتنی ہی زیادہ صلاحیت)۔ 

پولی کرسٹل لائن ہیرے کا بھی آرائشی اثر ہوتا ہے۔ ہیرے کی کوٹنگ نہ صرف فلیش اثر رکھتی ہے بلکہ اس میں مختلف رنگ بھی ہوتے ہیں۔ یہ اعلیٰ درجے کی گھڑیوں، عیش و آرام کی اشیاء کے لیے آرائشی کوٹنگز، اور براہ راست فیشن کی مصنوعات کے طور پر استعمال ہوتا ہے۔ ہیرے کی مضبوطی اور سختی کارننگ گلاس سے 6 گنا اور 10 گنا زیادہ ہے، اس لیے اسے موبائل فون کے ڈسپلے اور کیمرے کے لینز میں بھی استعمال کیا جاتا ہے۔

شکل 2 ہیرے اور دیگر سیمی کنڈکٹر مواد کی خصوصیات

ہیرے کی تیاری

ہیرے کی ترقی بنیادی طور پر HTHP طریقہ (اعلی درجہ حرارت اور ہائی پریشر طریقہ) اور میں تقسیم کیا جاتا ہےCVD طریقہ (کیمیائی بخارات جمع کرنے کا طریقہ). CVD طریقہ اپنے فوائد جیسے ہائی پریشر مزاحمت، بڑی ریڈیو فریکوئنسی، کم قیمت، اور اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت کی وجہ سے ڈائمنڈ سیمی کنڈکٹر سبسٹریٹس کی تیاری کے لیے مرکزی دھارے کا طریقہ بن گیا ہے۔ ترقی کے دو طریقے مختلف ایپلی کیشنز پر توجہ مرکوز کرتے ہیں، اور وہ مستقبل میں طویل عرصے تک ایک تکمیلی تعلق کو ظاہر کریں گے۔

ہائی ٹمپریچر اور ہائی پریشر کا طریقہ (HTHP) یہ ہے کہ گریفائٹ پاؤڈر، میٹل کیٹیلیسٹ پاؤڈر اور ایڈیٹیو کو خام مال کے فارمولے کے مطابق تناسب میں ملا کر گریفائٹ کور کالم بنانا، اور پھر گرانولیٹ، سٹیٹک پریسنگ، ویکیوم میں کمی، معائنہ، وزن اور دیگر عمل. اس کے بعد گریفائٹ کور کالم کو کمپوزٹ بلاک، معاون پرزہ جات اور دیگر سیل شدہ پریشر ٹرانسمیشن میڈیا کے ساتھ اکٹھا کیا جاتا ہے تاکہ ایک مصنوعی بلاک بنایا جا سکے جسے ڈائمنڈ سنگل کرسٹل کی ترکیب کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس کے بعد، اسے گرم کرنے اور دباؤ ڈالنے کے لیے چھ طرفہ ٹاپ پریس میں رکھا جاتا ہے اور طویل عرصے تک مسلسل رکھا جاتا ہے۔ کرسٹل کی ترقی مکمل ہونے کے بعد، گرمی کو روک دیا جاتا ہے اور دباؤ جاری کیا جاتا ہے، اور سیل شدہ پریشر ٹرانسمیشن میڈیم کو مصنوعی کالم حاصل کرنے کے لئے ہٹا دیا جاتا ہے، جس کے بعد ہیرے کے سنگل کرسٹل حاصل کرنے کے لئے صاف اور ترتیب دیا جاتا ہے.

شکل 3 چھ طرفہ ٹاپ پریس کی ساخت کا خاکہ

دھاتی اتپریرک کے استعمال کی وجہ سے، صنعتی HTHP طریقہ سے تیار کردہ ہیرے کے ذرات میں اکثر بعض نجاستیں اور نقائص ہوتے ہیں، اور نائٹروجن کے اضافے کی وجہ سے، ان کی رنگت عام طور پر پیلی ہوتی ہے۔ ٹکنالوجی کی اپ گریڈیشن کے بعد، ہیروں کی اعلی درجہ حرارت اور ہائی پریشر کی تیاری بڑے ذرے کے اعلیٰ معیار کے ہیرے کے سنگل کرسٹل تیار کرنے کے لیے درجہ حرارت کے میلان کا طریقہ استعمال کر سکتی ہے، جس سے ہیرے کے صنعتی کھرچنے والے گریڈ کو منی گریڈ میں تبدیل کیا جا سکتا ہے۔

شکل 4 ڈائمنڈ مورفولوجی

کیمیکل وانپ ڈپوزیشن (CVD) ہیرے کی فلموں کی ترکیب کا سب سے مقبول طریقہ ہے۔ اہم طریقوں میں گرم تنت کیمیائی بخارات جمع کرنا (HFCVD) اور شامل ہیں۔مائکروویو پلازما کیمیائی بخارات جمع (MPCVD).

(1) گرم تنت کیمیائی بخارات کا ذخیرہ

HFCVD کا بنیادی اصول ویکیوم چیمبر میں ایک اعلی درجہ حرارت والے دھاتی تار سے رد عمل کی گیس کو ٹکرانا ہے تاکہ مختلف قسم کے انتہائی فعال "غیر چارج شدہ" گروپس کو پیدا کیا جا سکے۔ پیدا ہونے والے کاربن ایٹموں کو نینوڈیمنڈ بنانے کے لیے سبسٹریٹ مواد پر جمع کیا جاتا ہے۔ سازوسامان کام کرنے کے لئے آسان ہے، کم ترقی کی لاگت ہے، بڑے پیمانے پر استعمال کیا جاتا ہے، اور صنعتی پیداوار حاصل کرنے کے لئے آسان ہے. کم تھرمل سڑن کی کارکردگی اور فلیمینٹ اور الیکٹروڈ سے دھاتی ایٹم کی سنگین آلودگی کی وجہ سے، HFCVD عام طور پر صرف پولی کرسٹل لائن ڈائمنڈ فلموں کو تیار کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے جس میں اناج کی حد میں بڑی مقدار میں sp2 فیز کاربن کی نجاست ہوتی ہے، لہذا یہ عام طور پر سرمئی سیاہ ہوتا ہے۔ .

شکل 5 (a) HFCVD آلات کا خاکہ، (b) ویکیوم چیمبر کی ساخت کا خاکہ

(2) مائکروویو پلازما کیمیائی بخارات کا ذخیرہ

MPCVD طریقہ مخصوص فریکوئنسی کی مائیکرو ویوز پیدا کرنے کے لیے میگنیٹرون یا سالڈ اسٹیٹ سورس کا استعمال کرتا ہے، جنہیں ویو گائیڈ کے ذریعے ری ایکشن چیمبر میں کھلایا جاتا ہے، اور ری ایکشن چیمبر کے خصوصی جیومیٹرک ڈائمینشنز کے مطابق سبسٹریٹ کے اوپر مستحکم کھڑی لہریں بنتی ہیں۔ 

انتہائی توجہ مرکوز برقی مقناطیسی میدان یہاں ایک مستحکم پلازما گیند بنانے کے لیے میتھین اور ہائیڈروجن کی رد عمل والی گیسوں کو توڑ دیتا ہے۔ الیکٹران سے بھرپور، آئن سے بھرپور، اور فعال ایٹم گروپ نیوکلیئٹ ہوں گے اور مناسب درجہ حرارت اور دباؤ پر سبسٹریٹ پر بڑھیں گے، جس کی وجہ سے ہوموپیٹاکسیل نمو آہستہ ہو گی۔ HFCVD کے مقابلے میں، یہ گرم دھاتی تاروں کے بخارات کی وجہ سے ہونے والی ڈائمنڈ فلم کی آلودگی سے بچتا ہے اور نینوڈیمنڈ فلم کی پاکیزگی کو بڑھاتا ہے۔ اس عمل میں HFCVD سے زیادہ رد عمل والی گیسیں استعمال کی جا سکتی ہیں، اور جمع شدہ ہیرے کے سنگل کرسٹل قدرتی ہیروں سے زیادہ خالص ہوتے ہیں۔ لہذا، آپٹیکل گریڈ ڈائمنڈ پولی کرسٹل لائن ونڈوز، الیکٹرانک گریڈ ڈائمنڈ سنگل کرسٹل وغیرہ تیار کیے جا سکتے ہیں۔

شکل 6 MPCVD کا اندرونی ڈھانچہ

ہیرے کی ترقی اور مخمصہ

چونکہ پہلا مصنوعی ہیرا 1963 میں کامیابی کے ساتھ تیار کیا گیا تھا، 60 سال سے زیادہ ترقی کے بعد، میرا ملک دنیا میں مصنوعی ہیرے کی سب سے زیادہ پیداوار والا ملک بن گیا ہے، جس کا حصہ دنیا کا 90% سے زیادہ ہے۔ تاہم، چین کے ہیرے بنیادی طور پر کم اور درمیانے درجے کی ایپلی کیشن مارکیٹوں میں مرکوز ہیں، جیسے کھرچنے والی پیسنے، آپٹکس، سیوریج ٹریٹمنٹ اور دیگر شعبوں میں۔ گھریلو ہیروں کی نشوونما بڑی ہے لیکن مضبوط نہیں، اور یہ بہت سے شعبوں جیسے کہ اعلیٰ درجے کے آلات اور الیکٹرانک گریڈ کے مواد میں نقصان میں ہے۔ 

CVD ہیروں کے میدان میں علمی کامیابیوں کے لحاظ سے، امریکہ، جاپان اور یورپ میں تحقیق سرفہرست ہے، اور میرے ملک میں نسبتاً کم اصل تحقیق ہیں۔ "13 ویں پانچ سالہ منصوبہ" کی کلیدی تحقیق اور ترقی کی حمایت کے ساتھ، گھریلو کٹے ہوئے ایپیٹیکسیل بڑے سائز کے ہیرے کے سنگل کرسٹل نے دنیا کی فرسٹ کلاس پوزیشن پر چھلانگ لگا دی ہے۔ متضاد ایپیٹیکسیل سنگل کرسٹل کے لحاظ سے، سائز اور معیار میں اب بھی ایک بڑا فرق ہے، جسے "14ویں پانچ سالہ منصوبہ" میں عبور کیا جا سکتا ہے۔

پوری دنیا کے محققین نے ہیروں کی نشوونما، ڈوپنگ اور ڈیوائس اسمبلی پر گہرائی سے تحقیق کی ہے تاکہ آپٹو الیکٹرانک آلات میں ہیروں کے استعمال کو محسوس کیا جا سکے اور ہیروں کے لیے لوگوں کی توقعات کو ملٹی فنکشنل مواد کے طور پر پورا کیا جا سکے۔ تاہم، ہیرے کا بینڈ گیپ 5.4 eV تک زیادہ ہے۔ اس کی پی قسم کی چالکتا بوران ڈوپنگ کے ذریعہ حاصل کی جاسکتی ہے، لیکن این قسم کی چالکتا حاصل کرنا بہت مشکل ہے۔ مختلف ممالک کے محققین نے جالی میں کاربن ایٹموں کو تبدیل کرنے کی صورت میں نائٹروجن، فاسفورس اور سلفر جیسی نجاست کو سنگل کرسٹل یا پولی کرسٹل لائن ہیرے میں ڈالا ہے۔ تاہم، گہرے ڈونر کی توانائی کی سطح یا نجاست کے آئنائزیشن میں دشواری کی وجہ سے، اچھی این قسم کی چالکتا حاصل نہیں کی گئی ہے، جو ہیرے پر مبنی الیکٹرانک آلات کی تحقیق اور اطلاق کو بہت حد تک محدود کرتی ہے۔ 

ایک ہی وقت میں، بڑے رقبے والے سنگل کرسٹل ہیرے کو سنگل کرسٹل سلکان ویفرز کی طرح بڑی مقدار میں تیار کرنا مشکل ہے، جو ہیرے پر مبنی سیمی کنڈکٹر آلات کی ترقی میں ایک اور مشکل ہے۔ مندرجہ بالا دو مسائل ظاہر کرتے ہیں کہ موجودہ سیمی کنڈکٹر ڈوپنگ اور ڈیوائس ڈیولپمنٹ تھیوری ڈائمنڈ این ٹائپ ڈوپنگ اور ڈیوائس اسمبلی کے مسائل کو حل کرنا مشکل ہے۔ ڈوپنگ کے دیگر طریقوں اور ڈوپینٹس کو تلاش کرنا، یا یہاں تک کہ ڈوپنگ اور ڈیوائس کی نشوونما کے نئے اصول تیار کرنا ضروری ہے۔

ضرورت سے زیادہ قیمتیں بھی ہیروں کی ترقی کو محدود کرتی ہیں۔ سلیکان کی قیمت کے مقابلے میں، سلکان کاربائیڈ کی قیمت سلکان کی قیمت سے 30-40 گنا ہے، گیلیم نائٹرائڈ کی قیمت سلیکان سے 650-1300 گنا ہے، اور مصنوعی ہیرے کے مواد کی قیمت سلکان سے تقریباً 10,000 گنا زیادہ ہے۔ بہت زیادہ قیمت ہیروں کی نشوونما اور استعمال کو محدود کرتی ہے۔ ترقیاتی مخمصے کو توڑنے کے لیے اخراجات کو کیسے کم کیا جائے ایک اہم نکتہ ہے۔

آؤٹ لک

اگرچہ ہیرے کے سیمی کنڈکٹرز کو اس وقت ترقی میں مشکلات کا سامنا ہے، لیکن وہ اب بھی اگلی نسل کی ہائی پاور، ہائی فریکوئنسی، ہائی ٹمپریچر اور کم پاور سے محروم الیکٹرانک آلات کی تیاری کے لیے سب سے زیادہ امید افزا مواد تصور کیے جاتے ہیں۔ فی الحال، سب سے زیادہ گرم سیمی کنڈکٹرز سلکان کاربائیڈ کے زیر قبضہ ہیں۔ سلیکون کاربائیڈ کی ساخت ہیرے کی ہے، لیکن اس کے نصف ایٹم کاربن ہیں۔ اس لیے اسے آدھا ہیرا سمجھا جا سکتا ہے۔ سلکان کاربائیڈ کو سلکان کرسٹل دور سے ہیرے کے سیمی کنڈکٹر دور تک ایک عبوری مصنوعہ ہونا چاہیے۔

"ہیرے ہمیشہ کے لیے ہیں، اور ایک ہیرا ہمیشہ کے لیے رہتا ہے" کے جملے نے ڈی بیئرز کا نام آج تک مشہور کر دیا ہے۔ ہیرے کے سیمی کنڈکٹرز کے لیے، ایک اور قسم کی شان پیدا کرنے کے لیے مستقل اور مسلسل تلاش کی ضرورت پڑ سکتی ہے۔

VeTek سیمی کنڈکٹر ایک پیشہ ور چینی صنعت کار ہے۔ٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ, سلیکن کاربائیڈ کوٹنگ، GaN مصنوعات،خصوصی گریفائٹ, سلیکن کاربائیڈ سیرامکساوردیگر سیمی کنڈکٹر سیرامکس. VeTek Semiconductor سیمی کنڈکٹر انڈسٹری کے لیے مختلف کوٹنگ مصنوعات کے لیے جدید حل فراہم کرنے کے لیے پرعزم ہے۔

اگر آپ کی کوئی پوچھ گچھ ہے یا اضافی تفصیلات کی ضرورت ہے، تو براہ کرم ہم سے رابطہ کرنے میں سنکوچ نہ کریں۔

موب/واٹس ایپ: +86-180 6922 0752

ای میل: anny@veteksemi.com