تُستخدم قواعد الجرافيت المطلية بـ SiC بشكل شائع لدعم وتسخين ركائز البلورات المفردة في أجهزة الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي (MOCVD). ويلعب الاستقرار الحراري والتجانس الحراري، بالإضافة إلى معايير الأداء الأخرى لقاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC، دورًا حاسمًا في جودة نمو المواد الفوقية، لذا فهي تُعدّ المكون الرئيسي لمعدات MOCVD.
في عملية تصنيع الرقاقات، تُبنى طبقات فوقية على بعض ركائز الرقاقات لتسهيل تصنيع الأجهزة. تتطلب أجهزة إضاءة LED النموذجية تحضير طبقات فوقية من زرنيخيد الغاليوم على ركائز السيليكون؛ تُزرع طبقة فوقية من كربيد السيليكون على ركيزة موصلة من كربيد السيليكون لتصنيع أجهزة مثل SBD وMOSFET وغيرها، لتطبيقات الجهد العالي والتيار العالي وغيرها من تطبيقات الطاقة؛ تُبنى طبقة فوقية من نتروجين الغاليوم على ركيزة كربيد السيليكون شبه المعزولة لتصنيع أجهزة HEMT وغيرها من الأجهزة لتطبيقات الترددات الراديوية مثل الاتصالات. هذه العملية لا تنفصل عن معدات الترسيب الكيميائي البخاري.
في أجهزة الترسيب الكيميائي للبخار، لا يُمكن وضع الركيزة مباشرةً على المعدن أو وضعها ببساطة على قاعدة للترسيب الطبقي، لأن ذلك يتطلب تدفق الغاز (أفقيًا، رأسيًا)، ودرجة الحرارة، والضغط، والتثبيت، وطرح الملوثات، وغيرها من عوامل التأثير. لذلك، يلزم وجود قاعدة، ثم تُوضع الركيزة على القرص، ثم يُجرى الترسيب الطبقي عليها باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار، وهذه القاعدة هي قاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC (المعروفة أيضًا باسم الصينية).
تُستخدم قواعد الجرافيت المطلية بـ SiC بشكل شائع لدعم وتسخين ركائز البلورات المفردة في أجهزة الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي (MOCVD). ويلعب الاستقرار الحراري والتجانس الحراري، بالإضافة إلى معايير الأداء الأخرى لقاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC، دورًا حاسمًا في جودة نمو المواد الفوقية، لذا فهي تُعدّ المكون الرئيسي لمعدات MOCVD.
الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي (MOCVD) هو التقنية السائدة للنمو الطبقي لأغشية GaN في مصابيح LED الزرقاء. يتميز هذا الترسيب بسهولة التشغيل، ومعدل نمو يمكن التحكم فيه، ونقاء أغشية GaN عالي. وباعتباره مكونًا أساسيًا في غرفة تفاعل معدات MOCVD، يجب أن تتمتع قاعدة المحمل المستخدمة في النمو الطبقي لأغشية GaN بمزايا مقاومة درجات الحرارة العالية، والتوصيل الحراري المنتظم، والثبات الكيميائي الجيد، ومقاومة الصدمات الحرارية القوية، وغيرها. ويمكن لمادة الجرافيت أن تلبي الشروط المذكورة أعلاه.
باعتبارها واحدة من المكونات الأساسية لمعدات MOCVD، فإن قاعدة الجرافيت هي الناقل وجسم التسخين للركيزة، والتي تحدد بشكل مباشر اتساق ونقاء مادة الفيلم، وبالتالي فإن جودتها تؤثر بشكل مباشر على تحضير الورقة الطلائية، وفي الوقت نفسه، مع زيادة عدد الاستخدامات وتغيير ظروف العمل، من السهل جدًا ارتداؤها، وهي تنتمي إلى المواد الاستهلاكية.
على الرغم من أن الجرافيت يتميز بموصلية حرارية ممتازة وثبات ممتاز، إلا أنه يتميز بميزة جيدة كمكون أساسي في معدات MOCVD، إلا أنه أثناء عملية الإنتاج، قد يتسبب الجرافيت في تآكل المسحوق بسبب بقايا الغازات المسببة للتآكل والمواد العضوية المعدنية، مما يقلل بشكل كبير من عمر خدمة قاعدة الجرافيت. في الوقت نفسه، قد يتسبب تساقط مسحوق الجرافيت في تلوث الرقاقة.
مع ظهور تكنولوجيا الطلاء، أصبح تثبيت مسحوق السطح، وتعزيز التوصيل الحراري، وتوزيع الحرارة بالتساوي، التقنية الرئيسية لحل هذه المشكلة. في بيئة استخدام معدات MOCVD، يجب أن يلبي طلاء السطح بقاعدة الجرافيت الخصائص التالية:
(1) يمكن لف قاعدة الجرافيت بالكامل، وتكون الكثافة جيدة، وإلا فإن قاعدة الجرافيت من السهل أن تتآكل في الغاز المسبب للتآكل.
(2) قوة الجمع مع قاعدة الجرافيت عالية لضمان عدم سقوط الطلاء بسهولة بعد عدة دورات من درجات الحرارة العالية والمنخفضة.
(3) يتمتع بثبات كيميائي جيد لتجنب فشل الطلاء في درجات الحرارة العالية والأجواء المسببة للتآكل.
يتميز كربيد السيليكون (SiC) بمقاومة التآكل، والتوصيل الحراري العالي، ومقاومة الصدمات الحرارية، والاستقرار الكيميائي العالي، ويمكنه العمل بكفاءة في أجواء GaN الفوقية. بالإضافة إلى ذلك، يختلف معامل التمدد الحراري لكربيد السيليكون اختلافًا طفيفًا عن معامل الجرافيت، لذا يُعد كربيد السيليكون المادة المفضلة لطلاء أسطح قواعد الجرافيت.
حاليًا، يُستخدم كربيد السيليكون (SiC) بشكل رئيسي في أنواع 3C و4H و6H، وتختلف استخدامات أنواع البلورات المختلفة له. على سبيل المثال، يُستخدم كربيد السيليكون (SiC-4H) في تصنيع الأجهزة عالية الطاقة؛ بينما يُعد كربيد السيليكون (SiC-6H) الأكثر استقرارًا، ويمكن استخدامه في تصنيع الأجهزة الكهروضوئية؛ ونظرًا لتشابه تركيبه مع نيتريد الغاليوم (GaN)، يُمكن استخدام كربيد السيليكون (SiC-3C) في إنتاج طبقة نيتريد الغاليوم (GaN) الفوقية، وفي تصنيع أجهزة الترددات الراديوية (RF) من كربيد السيليكون (SiC-3C). يُعرف كربيد السيليكون (SiC-3C) أيضًا باسم β-SiC، ومن أهم استخداماته كأغشية ومواد طلاء، لذا يُعد كربيد السيليكون (SiC-β) المادة الرئيسية للطلاء حاليًا.
طريقة تحضير طلاء كربيد السيليكون
في الوقت الحاضر، تشمل طرق تحضير طلاء SiC بشكل أساسي طريقة الجل-سول، وطريقة التضمين، وطريقة طلاء الفرشاة، وطريقة الرش البلازمي، وطريقة تفاعل الغاز الكيميائي (CVR)، وطريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD).
طريقة التضمين:
تعتمد هذه الطريقة على التلبيد في الطور الصلب عالي الحرارة، والذي يعتمد بشكل أساسي على خليط من مسحوق السيليكون ومسحوق الكربون كمسحوق تضمين، حيث تُوضع مصفوفة الجرافيت في مسحوق التضمين، ثم يُجرى التلبيد عالي الحرارة في غاز خامل، وينتج عنه في النهاية طلاء كربيد السيليكون على سطح مصفوفة الجرافيت. العملية بسيطة، وتركيب الطلاء مع الركيزة جيد، لكن تجانس الطلاء على طول اتجاه السُمك ضعيف، مما يُسهل تكوين المزيد من الثقوب ويؤدي إلى ضعف مقاومة الأكسدة.
طريقة طلاء الفرشاة:
تعتمد طريقة طلاء الفرشاة بشكل أساسي على فرك المادة الخام السائلة على سطح مصفوفة الجرافيت، ثم معالجة المادة الخام عند درجة حرارة معينة لتحضير الطلاء. العملية بسيطة وتكلفة منخفضة، لكن الطلاء المُحضّر بهذه الطريقة يكون ضعيفًا عند مقارنته بالركيزة، وضعف تجانس الطلاء، ورقيقًا، ومقاومته للأكسدة منخفضة، مما يتطلب طرقًا أخرى لدعمه.
طريقة رش البلازما:
تعتمد طريقة رش البلازما بشكل أساسي على رش المواد الخام المنصهرة أو شبه المنصهرة على سطح مصفوفة الجرافيت بمسدس بلازما، ثم تصلبها وتلتصق لتكوين طبقة طلاء. تتميز هذه الطريقة بسهولة استخدامها، ويمكنها تحضير طبقة كثيفة نسبيًا من كربيد السيليكون، إلا أن طبقة كربيد السيليكون المُحضرة بهذه الطريقة غالبًا ما تكون ضعيفة جدًا، مما يؤدي إلى ضعف مقاومتها للأكسدة، لذلك تُستخدم عادةً في تحضير طلاء مركب SiC لتحسين جودة الطلاء.
طريقة الجل-سول:
تعتمد طريقة الجل-سول بشكل أساسي على تحضير محلول سول متجانس وشفاف يُغطي سطح المصفوفة، ثم يُجفف ليتحول إلى هلام، ثم يُلَبَّد للحصول على طلاء. تتميز هذه الطريقة بسهولة التشغيل وانخفاض التكلفة، إلا أن الطلاء الناتج يعاني من بعض العيوب، مثل ضعف مقاومته للصدمات الحرارية وسهولة تشققه، مما يجعله غير شائع الاستخدام.
التفاعل الكيميائي للغاز (CVR):
يُنتج CVR طلاء SiC بشكل أساسي باستخدام مسحوق Si وSiO2 لتوليد بخار SiO عند درجة حرارة عالية، وتحدث سلسلة من التفاعلات الكيميائية على سطح ركيزة مادة C. يلتصق طلاء SiC المُحضر بهذه الطريقة ارتباطًا وثيقًا بالركيزة، ولكن درجة حرارة التفاعل أعلى والتكلفة أعلى.
الترسيب الكيميائي للبخار (CVD):
حاليًا، يُعدّ الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) التقنية الرئيسية لتحضير طلاء كربيد السيليكون (SiC) على سطح الركيزة. وتتمثل العملية الرئيسية في سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية لمادة التفاعل في الطور الغازي على سطح الركيزة، وأخيرًا، يتم تحضير طلاء كربيد السيليكون (SiC) عن طريق الترسيب على سطح الركيزة. يرتبط طلاء كربيد السيليكون (SiC) المُحضر بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) ارتباطًا وثيقًا بسطح الركيزة، مما يُحسّن بشكل فعال من مقاومة الأكسدة والتآكل لمادة الركيزة. إلا أن مدة الترسيب في هذه الطريقة أطول، ويحتوي غاز التفاعل على غاز سام.
حالة السوق لقاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC
عندما بدأ المصنعون الأجانب مبكرًا، كانت لهم ريادة واضحة وحصة سوقية عالية. على الصعيد الدولي، يُعدّ الموردون الرئيسيون لقاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC هم Xycard الهولندية، وSGL Carbon الألمانية (SGL)، وToyo Carbon اليابانية، وMEMC الأمريكية، وغيرها من الشركات، التي تحتل السوق الدولية بشكل أساسي. على الرغم من أن الصين قد اخترقت التكنولوجيا الأساسية الرئيسية للنمو الموحد لطلاء SiC على سطح مصفوفة الجرافيت، إلا أن مصفوفة الجرافيت عالية الجودة لا تزال تعتمد على SGL الألمانية، وToyo Carbon اليابانية، وغيرها من الشركات. تؤثر مصفوفة الجرافيت التي توفرها الشركات المحلية على عمر الخدمة بسبب الموصلية الحرارية، ومعامل المرونة، ومعامل الصلابة، وعيوب الشبكة، ومشاكل الجودة الأخرى. لا يمكن لمعدات MOCVD تلبية متطلبات استخدام قاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC.
تشهد صناعة أشباه الموصلات في الصين تطورًا سريعًا، ومع الزيادة التدريجية في معدل توطين معدات MOCVD الفوقية، وتوسع تطبيقات العمليات الأخرى، من المتوقع أن يشهد سوق منتجات الجرافيت المطلي بـ SiC نموًا سريعًا. ووفقًا للتقديرات الأولية للصناعة، سيتجاوز حجم السوق المحلي لمنتجات الجرافيت المطلي بـ SiC 500 مليون يوان في السنوات القليلة المقبلة.
تُعدّ قاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC مكونًا أساسيًا في معدات تصنيع أشباه الموصلات المركبة. ويُعد إتقان التكنولوجيا الأساسية لإنتاجها وتصنيعها، وتحقيق توطين سلسلة صناعة المواد الخام والمعالجة والمعدات بأكملها، أمرًا ذا أهمية استراتيجية بالغة لضمان تطوير صناعة أشباه الموصلات الصينية. يشهد مجال قاعدة الجرافيت المطلية بـ SiC محليًا ازدهارًا ملحوظًا، ومن المتوقع أن تصل جودة المنتج إلى المستوى المتقدم الدولي قريبًا.
وقت النشر: ٢٤ يوليو ٢٠٢٣