बेहतर गैलियम नाइट्राइड सब्सट्रेट पतला करने की तकनीक

हाइड्रोजन-आधारित प्लाज्मा पर स्विच करने से GaN सब्सट्रेट्स की उच्च गति नक़्क़ाशी सुनिश्चित होती है, और जापान में ओसाका विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने हाइड्रोजन-आधारित प्लाज्मा का उपयोग करके गैलियम नाइट्राइड (GaN) सब्सट्रेट्स को पतला करने में एक नई सफलता हासिल करने का दावा किया है। टीम की तकनीक, 4μm/मिनट तक की नक़्क़ाशी दर के साथ, ऊर्ध्वाधर बिजली उपकरणों के लिए सब्सट्रेट को पतला करने का एक व्यवहार्य तरीका प्रदान करती है। ऊर्ध्वाधर उपकरणों के ऑन-प्रतिरोध को कम करने के लिए यह आवश्यक है ताकि वे इलेक्ट्रिक वाहनों में प्रतिस्पर्धा जीत सकें।

ओसाका विश्वविद्यालय की टीम ने मौजूदा मशीनिंग प्रक्रियाओं जैसे पीसने और पॉलिश करने के लिए एक आकर्षक विकल्प का बीड़ा उठाया है, जिसका उपयोग आज सब्सट्रेट को पतला करने के लिए किया जाता है। ये यांत्रिक विधियां सिलिकॉन पावर उपकरणों को पतला करने में अच्छी तरह से काम करती हैं, लेकिन दरार, किनारा और विरूपण जैसी समस्याओं के कारण सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड जैसी सामग्रियों को पतला करने में कम प्रभावी होती हैं।

GaN सब्सट्रेट को पतला करने के लिए, ओसाका विश्वविद्यालय के इंजीनियरों ने प्लाज्मा रासायनिक गैसीकरण प्रसंस्करण (पीसीवीएम) नामक एक विधि को नियोजित किया, जिसका वे 25 से अधिक वर्षों से उपयोग और सुधार कर रहे हैं। टीम के प्रवक्ता यासुहिसा सानो ने कहा, "शुरुआत में, हम सिंक्रोट्रॉन विकिरण, एसओआई वेफर्स और सिलिकॉन एक्स-रे दर्पण के लिए सिलिकॉन वेफर्स के साथ काम कर रहे थे।" उन्होंने लगभग 15 साल पहले SiC सबस्ट्रेट्स का प्रसंस्करण शुरू किया और हाल के वर्षों में GaN और Ga2O3 सबस्ट्रेट्स का प्रसंस्करण शुरू किया। पीसीवीएम की एक उल्लेखनीय विशेषता वायुमंडल के कई दसवें हिस्से के प्लाज्मा दबाव का उपयोग है, जो गैस अणुओं का एक छोटा औसत पथ और आयनों की कम ऊर्जा सुनिश्चित करता है। इसलिए, अभिकारक एक आयन नहीं है, बल्कि एक तटस्थ मुक्त कण है, जो मशीनी सतह की परमाणु व्यवस्था को नष्ट नहीं करता है, न ही यह सब्सट्रेट को विकृत करता है।

2021 में, सानो और उनके सहयोगियों ने पीसीवीएम के माध्यम से 15μm/मिनट की दर से 2 इंच SiC सब्सट्रेट को पतला करने के लिए SF6 गैस का उपयोग करने की सूचना दी। दुर्भाग्य से, इस विधि को सीधे GaN पर लागू नहीं किया जा सकता है, क्योंकि SF6 गैस नक़्क़ाशी प्रभाव सुनिश्चित नहीं करती है। क्लोरीन-आधारित गैसें भी स्पष्ट दावेदार के रूप में अनुपयुक्त हैं क्योंकि वे संक्षारक हैं और गैलियम नाइट्राइड उपकरणों की सतह को नुकसान पहुंचाने की क्षमता रखती हैं। इन सवालों ने टीम को हाइड्रोजन के उपयोग पर विचार करने के लिए प्रेरित किया। गैलियम नाइट्राइड की एचवीपीई वृद्धि में हाइड्रोजन का उपयोग, साथ ही Ga2H6 गैस की उपस्थिति, संभावित सफलता के लिए सभी सकारात्मक कारक हैं।

हाइड्रोजन से जुड़े अध्ययन एक घरेलू 13.56 मेगाहर्ट्ज आरएफ प्लाज्मा जनरेटर के साथ शुरू हुए, जिसमें 2 मिमी के बाहरी व्यास और 0.3 मिमी के एपर्चर और 0.4 मिमी की मोटाई के साथ 2-इंच GaN सब्सट्रेट वाला एक ट्यूबलर इलेक्ट्रोड शामिल था। शुरुआत में, टीम ने पांच मिनट के बाद निष्कासन दरों में बदलाव का अध्ययन करने के लिए 9:1 हीलियम-हाइड्रोजन अनुपात, 100 एससीएम की प्रवाह दर और 130 डब्ल्यू, 150 डब्ल्यू, 180 डब्ल्यू और 200 डब्ल्यू की आरएफ शक्ति का उपयोग किया। प्रयोग ने सब्सट्रेट तापमान को भी ध्यान में रखा और निर्धारित किया कि उच्च शक्ति बेहतर निष्कासन दर का मुख्य चालक थी - इससे हाइड्रोजन मुक्त कणों की संख्या में वृद्धि हुई।

सैनो और सहकर्मियों ने 180 डब्ल्यू पर निर्धारित शक्ति के साथ गैस प्रवाह दर के प्रभावों का हिसाब देना जारी रखा। उन्होंने 100 एससीसीएम, 500 एससीसीएम और 800 एससीसीएम प्रवाह पर नक़्क़ाशी दर की तुलना की, इस बार 19:1 के हीलियम-हाइड्रोजन अनुपात के साथ , जो, प्रारंभिक अध्ययन के अनुसार, नक़्क़ाशी प्रक्रिया को गति देता है। उच्चतम प्रवाह दर पर, नक़्क़ाशी की गति 4μm/मिनट तक पहुंच जाती है, लेकिन सतह की गुणवत्ता प्रभावित होती है, जिससे तथाकथित नाशपाती की त्वचा की सतह बनती है (आंकड़ा देखें)।

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने 100 एससीसीएम की प्रवाह दर पर सतह पर गैलियम जमा दिखाया। टीम इस आकृति विज्ञान का श्रेय गैलियम के गोलाकार जमाव को देती है, जिसे केवल सतह को 40°C तक गर्म करके और फिर पोंछकर हटाया जा सकता है। लेकिन एक अधिक शानदार समाधान है: प्रक्रिया में ऑक्सीजन जोड़ना। परमाणु बल माइक्रोस्कोपी से पता चला कि ऑक्सीजन की शुरूआत ने केवल 0.9 एनएम की खुरदरापन के साथ एक चिकनी सतह सुनिश्चित की।

सानो ने कहा कि अनुसंधान टीम अब अच्छी सतह खुरदरापन प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया की स्थिति स्थापित करने की कोशिश कर रही है। "साथ ही, हम अपनी तकनीक को व्यावहारिक अनुप्रयोगों के करीब लाने के लिए बड़े क्षेत्रों के प्रसंस्करण पर काम कर रहे हैं।"

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