طلاء كربيد السيليكون: طفرة في المواد الأساسية لنمو طبقات كربيد السيليكون المتنامية

الطبقة فوق البلورية هي غشاء رقيق أحادي البلورة يُنمّى على ركيزة رقاقة من خلال عملية فوق بلورية؛ ويُشار إلى رقاقة الركيزة والطبقة فوق البلورية معًا باسم رقاقة فوق بلورية. ومن بين هذه الرقائق، ينتج عن تنمية طبقة فوق بلورية من كربيد السيليكون على ركيزة موصلة من كربيد السيليكون رقاقة فوق بلورية متجانسة من كربيد السيليكون، والتي يمكن استخدامها لاحقًا في تصنيع أجهزة طاقة مثل ثنائيات شوتكي، وترانزستورات MOSFET، وترانزستورات IGBT. وتُعد ركيزة 4H-SiC أكثر أنواع الركائز استخدامًا.

بما أن جميع الأجهزة تقريبًا تُصنع على طبقات رقيقة مُرَسَّبة، فإن جودة هذه الطبقة تؤثر بشكل كبير على أداء الجهاز. ومع ذلك، تتأثر جودة الطبقة الرقيقة بمعالجة البلورة والركيزة، مما يجعلها في مرحلة حاسمة في الصناعة وتلعب دورًا محوريًا في تطويرها.

تشمل الطرق الرئيسية لتحضير طبقات كربيد السيليكون المترسبة: الترسيب البخاري، والترسيب في الطور السائل، والترسيب الجزيئي الشعاعي، والترسيب الكيميائي للبخار. ومن بين هذه الطرق، يُعد الترسيب الكيميائي للبخار الطريقة الأكثر استخدامًا للترسيب المتجانس لـ 4H-SiC. ويستخدم هذا النوع من الترسيب عادةً معدات الترسيب الكيميائي للبخار، مما يضمن استمرارية البنية البلورية لـ 4H-SiC عند درجات حرارة نمو عالية.

في معدات الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، لا يمكن وضع الركيزة مباشرةً على سطح معدني أو ببساطة على قاعدة للترسيب الطبقي، نظرًا لتأثرها بعوامل عديدة كاتجاه تدفق الغاز (أفقي، رأسي)، ودرجة الحرارة، والضغط، والتثبيت، والتلوث الناتج عن الجزيئات المتساقطة. لذا، يلزم استخدام قاعدة داعمة؛ حيث توضع الركيزة على صينية، ثم يُجرى الترسيب الطبقي عليها باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار. وتتكون هذه القاعدة الداعمة من قاعدة جرافيت مطلية بكربيد السيليكون.

يتميز ركيزة الجرافيت، باعتبارها مكونًا أساسيًا، بقوة نوعية عالية ومعامل مرونة نوعي مرتفع، بالإضافة إلى مقاومة جيدة للصدمات الحرارية والتآكل. مع ذلك، يتعرض الجرافيت أثناء الإنتاج للتآكل وتساقط المسحوق نتيجة للغازات المسببة للتآكل ومركبات الفلزات العضوية المتبقية، مما يقلل بشكل كبير من عمر الركيزة. في الوقت نفسه، يمكن أن يلوث مسحوق الجرافيت المتساقط الرقائق. في إنتاج رقائق السيليكون كاربيد الرقيقة، أصبح من الصعب بشكل متزايد تلبية المتطلبات المتزايدة الصرامة لمواد الجرافيت، مما يحد بشدة من تطويرها وتطبيقها العملي. ونتيجة لذلك،تقنية الطلاءوقد برزت كحل.

مزايا طلاءات كربيد السيليكون في صناعة أشباه الموصلات

يجب أن تستوفي الخصائص الفيزيائية والكيميائية للطلاءات متطلبات صارمة لمقاومة درجات الحرارة العالية والتآكل، حيث تؤثر هذه الخصائص بشكل مباشر على إنتاجية المنتج وعمره الافتراضي. تتميز مادة كربيد السيليكون (SiC) بقوة وصلابة عاليتين، ومعامل تمدد حراري منخفض، وموصلية حرارية ممتازة، مما يجعلها مادة هيكلية وأشباه موصلات بالغة الأهمية في درجات الحرارة العالية. عند تطبيقها على ركائز الجرافيت، تشمل مزاياها ما يلي:

1) يتميز كربيد السيليكون بمقاومته للتآكل وقدرته على تغليف ركيزة الجرافيت بالكامل. كما أن كثافته العالية تمنع تلفه بفعل الغازات المسببة للتآكل.

2) يتميز كربيد السيليكون بموصلية حرارية عالية وقوة ربط قوية مع ركيزة الجرافيت، مما يضمن بقاء الطلاء سليمًا حتى بعد دورات متكررة من درجات الحرارة العالية والمنخفضة.

3) يتمتع كربيد السيليكون بثبات كيميائي ممتاز، مما يمنع فشل الطلاء في الأجواء ذات درجات الحرارة العالية والتآكل.

علاوة على ذلك، تتطلب أفران الترسيب الطبقي المصنوعة من مواد مختلفة صواني جرافيت ذات مواصفات أداء محددة. يجب أن يتوافق معامل التمدد الحراري لمادة الجرافيت مع درجة حرارة نمو فرن الترسيب الطبقي. على سبيل المثال، نظرًا لارتفاع درجة حرارة نمو طبقة كربيد السيليكون، يلزم استخدام صواني ذات معامل تمدد حراري متوافق بدرجة عالية. يختلف معامل التمدد الحراري لكربيد السيليكون اختلافًا طفيفًا جدًا عن معامل التمدد الحراري للجرافيت، مما يجعله المادة المفضلة لتغطية سطح ركائز الجرافيت.

يوجد كربيد السيليكون (SiC) بأشكال بلورية متعددة، وأكثرها شيوعًا حاليًا هي الأنواع 3C و4H و6H، ولكل منها استخدامات مختلفة. على سبيل المثال، يُستخدم 4H-SiC في تصنيع الأجهزة عالية الطاقة؛ بينما يُعد 6H-SiC الأكثر استقرارًا ويُستخدم في تصنيع الأجهزة الكهروضوئية؛ أما 3C-SiC، نظرًا لتشابهه البنيوي مع نتريد الغاليوم (GaN)، فيُستخدم لإنتاج طبقات GaN الرقيقة لتصنيع أجهزة الترددات الراديوية SiC-GaN. يُشار إلى 3C-SiC أيضًا باسم β-SiC. من أهم استخدامات β-SiC استخدامه كمادة للأغشية الرقيقة والطلاء؛ ولذلك، يُعد β-SiC حاليًا المادة الأساسية المستخدمة في الطلاء.

تُستخدم طبقات كربيد السيليكون (SiC) كمواد استهلاكية شائعة في صناعة أشباه الموصلات، وتُستخدم بشكل أساسي في عمليات مثل تحضير الركائز، والترسيب الطبقي، والأكسدة والانتشار، والحفر، وزرع الأيونات. يجب أن تستوفي الخصائص الفيزيائية والكيميائية للطبقة متطلبات صارمة لمقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل، حيث تؤثر هذه الخصائص بشكل مباشر على إنتاجية المنتج وعمره الافتراضي. ولذلك، يُعدّ تحضير طبقات كربيد السيليكون أمرًا بالغ الأهمية.

عملية تحضير طبقات كربيد السيليكون

تشمل الطرق الأساسية الحالية لإعداد طبقات SiC طريقة سول-جل، وطريقة التضمين، وطلاء الفرشاة، والرش البلازمي، والتفاعل الكيميائي للبخار (CVR)، والترسيب الكيميائي للبخار (CVD).

طريقة التضمين

تُعدّ هذه الطريقة نوعًا من أنواع التلبيد الصلب عالي الحرارة. وتعتمد بشكل أساسي على مزيج من مسحوق السيليكون (Si) ومسحوق الكربون (C) كمادة تغليف. تُوضع ركيزة من الجرافيت داخل مادة التغليف وتُلبّد عند درجات حرارة عالية في جو من الغاز الخامل، مما يُشكّل في النهاية طبقة من كربيد السيليكون (SiC) على سطح ركيزة الجرافيت. تتميز هذه الطريقة ببساطة العملية وقوة الالتصاق بين الطبقة والركيزة؛ إلا أن الطبقة تُظهر عدم تجانس في سمكها، كما أنها عُرضة لتكوّن مسامات عديدة، مما يُؤدي إلى ضعف مقاومتها للأكسدة.

طريقة الطلاء بالفرشاة

تعتمد طريقة الطلاء بالفرشاة بشكل أساسي على وضع مادة خام سائلة على سطح ركيزة الجرافيت، ثم معالجتها عند درجة حرارة محددة لتشكيل الطلاء. هذه الطريقة بسيطة واقتصادية، إلا أن الطلاء الناتج يُظهر ضعفًا في الالتصاق بالركيزة، وعدم تجانس، وسمكًا نسبيًا، ومقاومة منخفضة للأكسدة، مما يستدعي استخدام طرق تكميلية.

طريقة الرش البلازمي

تعتمد طريقة الرش البلازمي على استخدام مسدس بلازما لرش مادة خام منصهرة أو شبه منصهرة على سطح ركيزة الجرافيت، حيث تتصلب المادة وتلتصق لتشكل طبقة طلاء. تتميز هذه الطريقة بسهولة التشغيل وقدرتها على إنتاج طبقات طلاء كثيفة نسبيًا من كربيد السيليكون؛ إلا أن هذه الطبقات غالبًا ما تكون رقيقة 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 الجل-سول بشكل أساسي على تحضير محلول سول شفاف ومتجانس لتغطية سطح الركيزة. بعد تجفيف المادة وتحويلها إلى هلام، يتم تلبيدها لتشكيل الطلاء. تتميز هذه الطريقة بسهولة تطبيقها وانخفاض تكلفتها نسبيًا؛ إلا أن الطلاءات الناتجة تعاني من عيوب مثل ضعف مقاومتها للصدمات الحرارية وميلها للتشقق، مما يحد من استخدامها على نطاق واسع.

طريقة التفاعل الكيميائي للبخار (CVR)

تعتمد تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVR) بشكل أساسي على مساحيق السيليكون وثاني أكسيد السيليكون لتوليد بخار ثاني أكسيد السيليكون عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات الكيميائية على سطح ركيزة السيليكون لتشكيل طبقة من كربيد السيليكون. تلتصق طبقة كربيد السيليكون المنتجة بهذه الطريقة بالركيزة بإحكام؛ إلا أن درجة حرارة التفاعل مرتفعة، والتكلفة مرتفعة نسبيًا.

الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)

تُعدّ تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) حاليًا التقنية الأساسية لتحضير طبقات كربيد السيليكون (SiC) على أسطح الركائز. تتضمن العملية الرئيسية سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية بين المواد المتفاعلة الغازية وسطح الركيزة، مما يؤدي في النهاية إلى ترسيب طبقة من كربيد السيليكون. تلتصق طبقات كربيد السيليكون المُنتجة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار بسطح الركيزة بقوة، ويمكنها تحسين مقاومة الركيزة للأكسدة والتآكل بشكل فعال؛ ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة وقتًا طويلًا نسبيًا للترسيب، وتحتوي غازات التفاعل على بعض المكونات السامة.

اتجاهات طلاءات كربيد السيليكون

تُستخدم طبقات كربيد السيليكون بشكل أساسي كمواد استهلاكية في صناعة أشباه الموصلات، وتشمل مؤشرات الأداء الرئيسية تجانس الطبقة، ومعامل التمدد الحراري، والتوصيل الحراري. ورغم وجود طلب محلي كبير على طبقات كربيد السيليكون في الصين، إلا أن هذه التقنية لا تزال في مراحلها الأولى. أما في الخارج، فتوجد شركة أمريكية واحدة فقط تعمل في هذا المجال، ومنتجاتها باهظة الثمن نسبياً.

قوارب كريستاليةتُعدّ المواد الاستهلاكية المستخدمة في إنتاج الطبقات الرقيقة بديلاً مناسباً للجرافيت المطلي بكربيد السيليكون، على الرغم من صغر حجم السوق. يلي ذلك الجرافيت المطلي بكربيد التنتالوم، الذي يتميز بمقاومة أفضل للتآكل الكيميائي مقارنةً بالجرافيت الخام أو الجرافيت المطلي بكربيد السيليكون، إلا أنه باهظ الثمن للغاية ولا يزال في المراحل الأولى من التطوير. حالياً، تقوم شركات محلية مثلليوفانغ أشباه الموصلات, سيميسيرا، وشركة فيتيك لأشباه الموصلاتيشاركون في البحث والتطوير في هذا المجال.