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 أخرى مثل تدفق الغاز (أفقيًا ورأسيًا)، ودرجة الحرارة، والضغط، والتثبيت، وانبعاث الملوثات. لذا، من الضروري استخدام قاعدة، ثم وضع الركيزة عليها، ثم استخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار لترسيبها طبقيًا، وهذه القاعدة مصنوعة من الجرافيت المطلي بكربيد السيليكون (المعروف 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.