أجزاء أشباه الموصلات – قاعدة من الجرافيت المطلي بكربيد السيليكون

تُستخدم قواعد الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون بشكل شائع لدعم وتسخين ركائز البلورات الأحادية في معدات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD). وتلعب الاستقرار الحراري والتجانس الحراري وغيرها من معايير الأداء لقاعدة الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون دورًا حاسمًا في جودة نمو المواد المترسبة، لذا فهي تُعدّ المكون الأساسي لمعدات MOCVD.

في عملية تصنيع الرقاقات، تُبنى طبقات فوقية على بعض ركائز الرقاقات لتسهيل تصنيع الأجهزة. تتطلب أجهزة LED النموذجية المُضيئة تحضير طبقات فوقية من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) على ركائز السيليكون؛ وتُنمى طبقة فوقية من كربيد السيليكون (SiC) على ركيزة SiC موصلة لتصنيع أجهزة مثل ثنائي شوتكي (SBD) وترانزستور تأثير المجال المعدني-الباعث للضوء (MOSFET)، وغيرها، لتطبيقات الجهد العالي والتيار العالي وغيرها من تطبيقات الطاقة؛ وتُبنى طبقة فوقية من نتريد الغاليوم (GaN) على ركيزة SiC شبه معزولة لتصنيع ترانزستورات HEMT وغيرها من الأجهزة لتطبيقات الترددات الراديوية مثل الاتصالات. هذه العملية لا تنفصل عن معدات الترسيب الكيميائي للبخار (CVD).

في معدات الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، لا يمكن وضع الركيزة مباشرةً على المعدن أو ببساطة على قاعدة للترسيب الطبقي، نظرًا لتأثير عوامل مثل تدفق الغاز (أفقيًا ورأسيًا)، ودرجة الحرارة، والضغط، والتثبيت، وانبعاث الملوثات، وغيرها. لذا، يلزم استخدام قاعدة، حيث توضع الركيزة عليها، ثم يُجرى الترسيب الطبقي باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار. هذه القاعدة هي قاعدة من الجرافيت المطلي بكربيد السيليكون (المعروفة أيضًا باسم الصينية).

تُستخدم قواعد الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون بشكل شائع لدعم وتسخين ركائز البلورات الأحادية في معدات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD). وتلعب الاستقرار الحراري والتجانس الحراري وغيرها من معايير الأداء لقاعدة الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون دورًا حاسمًا في جودة نمو المواد المترسبة، لذا فهي تُعدّ المكون الأساسي لمعدات MOCVD.

يُعدّ الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) التقنية السائدة لنمو طبقات نيتريد الغاليوم (GaN) في مصابيح LED الزرقاء. وتتميز هذه التقنية بسهولة التشغيل، وإمكانية التحكم في معدل النمو، ونقاء طبقات نيتريد الغاليوم العالية. وباعتبارها مكونًا أساسيًا في حجرة تفاعل جهاز MOCVD، يجب أن تتمتع قاعدة التحميل المستخدمة في نمو طبقات نيتريد الغاليوم بخصائص مقاومة عالية للحرارة، وموصلية حرارية منتظمة، وثبات كيميائي جيد، ومقاومة عالية للصدمات الحرارية، وغيرها. ويمكن لمادة الجرافيت أن تلبي هذه الشروط.

باعتبارها أحد المكونات الأساسية لمعدات MOCVD، فإن قاعدة الجرافيت هي الحامل وجسم التسخين للركيزة، مما يحدد بشكل مباشر تجانس ونقاء مادة الفيلم، لذا فإن جودتها تؤثر بشكل مباشر على تحضير الصفيحة المترسبة، وفي الوقت نفسه، مع زيادة عدد مرات الاستخدام وتغير ظروف العمل، فإنها تتآكل بسهولة شديدة، وتنتمي إلى المواد الاستهلاكية.

على الرغم من أن الجرافيت يتمتع بموصلية حرارية واستقرار ممتازين، مما يجعله مكونًا أساسيًا مثاليًا لمعدات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD)، إلا أنه خلال عملية الإنتاج، يتسبب الجرافيت في تآكل المسحوق نتيجة لبقايا الغازات المسببة للتآكل والمركبات العضوية المعدنية، مما يقلل بشكل كبير من عمر قاعدة الجرافيت. كما أن تساقط مسحوق الجرافيت يُلوث الرقاقة.

يُتيح ظهور تقنية الطلاء تثبيت مسحوق السطح، وتعزيز التوصيل الحراري، وتوزيع الحرارة بشكل متساوٍ، مما جعلها التقنية الرئيسية لحل هذه المشكلة. في بيئة استخدام معدات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD)، يجب أن يستوفي طلاء سطح قاعدة الجرافيت الخصائص التالية:

(1) يمكن تغليف قاعدة الجرافيت بالكامل، وتكون الكثافة جيدة، وإلا فإن قاعدة الجرافيت من السهل أن تتآكل في الغاز المسبب للتآكل.

(2) قوة التماسك 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) بمقاومته للتآكل، وموصليته الحرارية العالية، ومقاومته للصدمات الحرارية، وثباته الكيميائي العالي، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في بيئة الترسيب الطبقي لنيتريد الغاليوم (GaN). إضافةً إلى ذلك، فإن معامل التمدد الحراري لكربيد السيليكون لا يختلف كثيرًا عن معامل التمدد الحراري للجرافيت، مما يجعله المادة المفضلة لتغطية أسطح الجرافيت.

في الوقت الحالي، يُعدّ السيليكون كاربيد (SiC) من الأنواع الشائعة، وخاصةً 3C و4H و6H، وتختلف استخدامات كل نوع منها. على سبيل المثال، يُستخدم 4H-SiC في تصنيع الأجهزة عالية الطاقة؛ بينما يُعدّ 6H-SiC الأكثر استقرارًا ويُستخدم في تصنيع الأجهزة الكهروضوئية؛ أما 3C-SiC، نظرًا لتشابه بنيته مع نيتريد الغاليوم (GaN)، فيُستخدم في إنتاج طبقة نيتريد الغاليوم الرقيقة وتصنيع أجهزة الترددات الراديوية المصنوعة من SiC-GaN. يُعرف 3C-SiC أيضًا باسم β-SiC، ومن أهم استخداماته استخدامه كمادة للأغشية والطلاء، ولذلك يُعدّ حاليًا المادة الرئيسية المستخدمة في الطلاء.

طريقة تحضير طلاء كربيد السيليكون

في الوقت الحاضر، تشمل طرق تحضير طلاء SiC بشكل أساسي طريقة الهلام-المحلول، وطريقة التضمين، وطريقة الطلاء بالفرشاة، وطريقة الرش بالبلازما، وطريقة التفاعل الكيميائي للغاز (CVR)، وطريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD).

طريقة التضمين:

تعتمد هذه الطريقة على التلبيد عالي الحرارة في الحالة الصلبة، حيث يُستخدم مزيج من مسحوق السيليكون ومسحوق الكربون كمسحوق تغليف. تُوضع مصفوفة الجرافيت داخل هذا المسحوق، ويُجرى التلبيد في جو من الغاز الخامل، لينتج في النهاية طلاء من كربيد السيليكون على سطح مصفوفة الجرافيت. تتميز هذه العملية بالبساطة والتماسك الجيد بين الطلاء والركيزة، إلا أن تجانس الطلاء على امتداد سمكه ضعيف، مما يُسهل تكوّن المزيد من الثقوب ويؤدي إلى ضعف مقاومة الأكسدة.

طريقة الطلاء بالفرشاة:

تعتمد طريقة الطلاء بالفرشاة بشكل أساسي على دهن سطح مصفوفة الجرافيت بالمادة الخام السائلة، ثم معالجتها عند درجة حرارة معينة لتحضير الطلاء. تتميز هذه العملية بالبساطة وانخفاض التكلفة، إلا أن الطلاء الناتج عنها ضعيف التماسك مع الركيزة، كما أنه غير متجانس، رقيق، ومقاومته للأكسدة ضعيفة، مما يستدعي استخدام طرق أخرى لتحسينه.

طريقة رش البلازما:

تعتمد طريقة الرش البلازمي بشكل أساسي على رش مواد خام منصهرة أو شبه منصهرة على سطح مصفوفة الجرافيت باستخدام مسدس بلازما، ثم تتصلب وتلتصق لتشكيل طبقة طلاء. تتميز هذه الطريقة بسهولة التشغيل وإمكانية تحضير طبقة طلاء من كربيد السيليكون ذات كثافة عالية نسبيًا، إلا أن طبقة كربيد السيليكون المُحضّرة بهذه الطريقة غالبًا ما تكون ضعيفة جدًا، مما يؤدي إلى ضعف مقاومتها للأكسدة. لذلك، تُستخدم هذه الطريقة عادةً في تحضير طبقات طلاء مركبة من كربيد السيليكون لتحسين جودة الطلاء.

طريقة الجل-سول:

تعتمد طريقة الهلام-المحلول بشكل أساسي على تحضير محلول متجانس وشفاف يغطي سطح المادة الأساسية، ثم تجفيفه ليتحول إلى هلام، وبعد ذلك تلبيده للحصول على طبقة طلاء. تتميز هذه الطريقة بسهولة تطبيقها وانخفاض تكلفتها، إلا أن طبقة الطلاء الناتجة تعاني من بعض العيوب، مثل ضعف مقاومتها للصدمات الحرارية وسهولة تشققها، مما يحد من استخدامها على نطاق واسع.

التفاعل الكيميائي الغازي (CVR):

تُنتج تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVR) طبقةً من كربيد السيليكون (SiC) باستخدام مسحوق السيليكون وثاني أكسيد السيليكون (SiO2) لتوليد بخار ثاني أكسيد السيليكون عند درجة حرارة عالية، حيث تحدث سلسلة من التفاعلات الكيميائية على سطح ركيزة من مادة الكربون. تتميز طبقة كربيد السيليكون المُحضّرة بهذه الطريقة بارتباطها الوثيق بالركيزة، إلا أن درجة حرارة التفاعل مرتفعة وتكلفتها أعلى.

الترسيب الكيميائي للبخار (CVD):

تُعدّ تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) حاليًا التقنية الرئيسية لتحضير طبقة كربيد السيليكون (SiC) على سطح الركيزة. وتتمثل العملية الأساسية في سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية لمواد التفاعل الغازية على سطح الركيزة، حيث يتم في النهاية تحضير طبقة كربيد السيليكون عن طريق الترسيب على سطح الركيزة. تتميز طبقة كربيد السيليكون المُحضّرة بتقنية CVD بارتباطها الوثيق بسطح الركيزة، مما يُحسّن بشكل فعّال مقاومة الأكسدة والتآكل لمادة الركيزة، إلا أن وقت الترسيب في هذه الطريقة أطول، كما أن غاز التفاعل الناتج يحتوي على نسبة من الغازات السامة.

الوضع السوقي لقاعدة الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون

عندما بدأ المصنّعون الأجانب مبكراً، حققوا ريادة واضحة وحصة سوقية كبيرة. وعلى الصعيد الدولي، تُعدّ شركات مثل Xycard الهولندية، وSGL Carbon الألمانية، وToyo Carbon اليابانية، وMEMC الأمريكية، وغيرها، من أبرز موردي قاعدة الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون، حيث تستحوذ هذه الشركات بشكل أساسي على السوق العالمية. ورغم أن الصين قد طوّرت تقنية أساسية لنمو طبقة كربيد السيليكون بشكل متجانس على سطح مصفوفة الجرافيت، إلا أن مصفوفة الجرافيت عالية الجودة لا تزال تعتمد على شركات مثل SGL الألمانية وToyo Carbon اليابانية وغيرها. وتؤثر مشاكل الجودة، كالتوصيل الحراري ومعامل المرونة ومعامل الصلابة وعيوب الشبكة البلورية، على عمر مصفوفة الجرافيت التي توفرها الشركات المحلية. كما أن معدات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) لا تفي بمتطلبات استخدام قاعدة الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون.

يشهد قطاع أشباه الموصلات في الصين نموًا سريعًا، ومع الزيادة التدريجية في معدل توطين معدات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) وتوسع تطبيقات العمليات الأخرى، من المتوقع أن ينمو سوق منتجات الجرافيت المطلي بكربيد السيليكون (SiC) نموًا متسارعًا في المستقبل. وتشير التقديرات الأولية للقطاع إلى أن حجم سوق الجرافيت المحلي سيتجاوز 500 مليون يوان خلال السنوات القليلة المقبلة.

تُعدّ قاعدة الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون المكوّن الأساسي لمعدات تصنيع أشباه الموصلات المركبة، ويُمثّل إتقان التقنيات الأساسية لإنتاجها وتصنيعها، وتحقيق توطين سلسلة التوريد بأكملها من المواد الخام إلى العمليات والمعدات، أهمية استراتيجية بالغة لضمان تطوير صناعة أشباه الموصلات في الصين. يشهد مجال قاعدة الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون في الصين ازدهارًا ملحوظًا، ومن المتوقع أن تصل جودة المنتج إلى المستوى العالمي المتقدم قريبًا.