ما هي العوائق التقنية أمام استخدام كربيد السيليكون؟

يمثل الجيل الأول من مواد أشباه الموصلات السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge) التقليديين، وهما أساس تصنيع الدوائر المتكاملة. ويُستخدمان على نطاق واسع في الترانزستورات وأجهزة الكشف ذات الجهد المنخفض والتردد المنخفض والطاقة المنخفضة. أكثر من 90% من منتجات أشباه الموصلات مصنوعة من مواد أساسها السيليكون.
تتمثل مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني في زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP) وفوسفيد الغاليوم (GaP). وبالمقارنة مع الأجهزة القائمة على السيليكون، فإنها تتمتع بخصائص كهروضوئية عالية التردد وعالية السرعة، وتستخدم على نطاق واسع في مجالات الإلكترونيات الضوئية والإلكترونيات الدقيقة.
يتم تمثيل الجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات بمواد ناشئة مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) وأكسيد الزنك (ZnO) والماس (C) ونيتريد الألومنيوم (AlN).

كربيد السيليكونيُعدّ كربيد السيليكون مادة أساسية هامة لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث. وتستطيع أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون تلبية متطلبات الكفاءة العالية والتصغير وخفة الوزن لأنظمة إلكترونيات الطاقة بكفاءة عالية، وذلك بفضل مقاومتها الممتازة للجهد العالي ودرجات الحرارة المرتفعة، وانخفاض فقد الطاقة فيها، وغيرها من الخصائص.

بفضل خصائصه الفيزيائية المتميزة، كفجوة الطاقة العالية (التي تُقابلها شدة مجال كهربائي عالية وكثافة طاقة عالية)، وموصلية كهربائية وحرارية عاليتين، يُتوقع أن يصبح هذا المعدن المادة الأساسية الأكثر استخدامًا في صناعة رقائق أشباه الموصلات مستقبلًا. ويتمتع بمزايا واضحة، لا سيما في مجالات مركبات الطاقة الجديدة، وتوليد الطاقة الكهروضوئية، والنقل بالسكك الحديدية، والشبكات الذكية، وغيرها.

تنقسم عملية إنتاج كربيد السيليكون إلى ثلاث خطوات رئيسية: نمو بلورة كربيد السيليكون الأحادية، ونمو الطبقة فوق المحورية، وتصنيع الجهاز، والتي تتوافق مع الحلقات الرئيسية الأربع للسلسلة الصناعية:الركيزة, الترسيب الطبقيالأجهزة والوحدات.

تعتمد الطريقة الشائعة لتصنيع الركائز أولاً على التسامي الفيزيائي للبخار لتسامي المسحوق في بيئة فراغية ذات درجة حرارة عالية، ثم تنمية بلورات كربيد السيليكون على سطح البلورة الأساسية من خلال التحكم في مجال درجة الحرارة. وباستخدام رقاقة كربيد السيليكون كركيزة، يُستخدم الترسيب الكيميائي للبخار لترسيب طبقة من البلورة الأحادية على الرقاقة لتشكيل رقاقة فوقية. ومن بين هذه الطرق، يمكن تصنيع أجهزة الطاقة من خلال تنمية طبقة فوقية من كربيد السيليكون على ركيزة موصلة من كربيد السيليكون، والتي تُستخدم بشكل أساسي في المركبات الكهربائية والخلايا الكهروضوئية وغيرها من المجالات؛ كما يمكن تصنيع طبقة فوقية من نتريد الغاليوم على ركيزة شبه عازلة من نتريد الغاليوم.ركيزة من كربيد السيليكونويمكن تحويلها أيضاً إلى أجهزة ترددات لاسلكية، تُستخدم في اتصالات الجيل الخامس وغيرها من المجالات.

في الوقت الحالي، تواجه ركائز كربيد السيليكون أعلى الحواجز التقنية في سلسلة صناعة كربيد السيليكون، كما أن ركائز كربيد السيليكون هي الأصعب في الإنتاج.

لم تُحلّ مشكلة إنتاج كربيد السيليكون (SiC) بشكل كامل، إذ تتسم جودة أعمدة البلورات الخام بعدم الاستقرار، كما تُعاني من مشكلة في الإنتاجية، مما يؤدي إلى ارتفاع تكلفة أجهزة SiC. يستغرق نمو قضيب بلوري من مادة السيليكون ثلاثة أيام في المتوسط، بينما يستغرق نمو قضيب بلوري من كربيد السيليكون أسبوعًا كاملًا. يمكن أن يصل طول قضيب بلوري من السيليكون العادي إلى 200 سم، بينما لا يتجاوز طول قضيب بلوري من كربيد السيليكون 2 سم. علاوة على ذلك، يُعدّ كربيد السيليكون مادة صلبة وهشة، وتكون الرقائق المصنوعة منه عرضة لتشقق الحواف عند استخدام تقنيات التقطيع الميكانيكية التقليدية، مما يؤثر على إنتاجية المنتج وموثوقيته. تختلف ركائز كربيد السيليكون اختلافًا كبيرًا عن سبائك السيليكون التقليدية، ويتطلب التعامل مع كربيد السيليكون تطويرًا شاملًا يشمل جميع جوانب التصنيع، بدءًا من المعدات والعمليات والمعالجة وصولًا إلى القطع.

تنقسم سلسلة صناعة كربيد السيليكون بشكل رئيسي إلى أربع مراحل أساسية: الركيزة، والنمو الطبقي، والأجهزة، والتطبيقات. تُعدّ مواد الركيزة حجر الزاوية في هذه السلسلة، بينما تُشكّل مواد النمو الطبقي مفتاح تصنيع الأجهزة، وتُمثّل الأجهزة جوهرها، أما التطبيقات فهي المحرك الأساسي للتنمية الصناعية. تستخدم صناعة المواد الأولية المواد الخام لتصنيع مواد الركيزة من خلال طرق التسامي الفيزيائي للبخار وغيرها، ثم تستخدم طرق الترسيب الكيميائي للبخار وغيرها لإنماء مواد النمو الطبقي. تستخدم صناعة المواد الوسيطة مواد المواد الأولية لتصنيع أجهزة الترددات الراديوية، وأجهزة الطاقة، وغيرها من الأجهزة، والتي تُستخدم في نهاية المطاف في تطبيقات مثل اتصالات الجيل الخامس، والمركبات الكهربائية، والنقل بالسكك الحديدية، وغيرها. تُمثّل الركيزة والنمو الطبقي 60% من تكلفة سلسلة الصناعة، وهما العنصران الرئيسيان فيها.

ركائز كربيد السيليكون: تُصنع بلورات كربيد السيليكون عادةً باستخدام طريقة ليلي. وتتجه المنتجات العالمية السائدة نحو استخدام ركائز موصلة بقياس 8 بوصات بدلاً من 4 بوصات. أما الركائز المحلية فهي في الغالب بقياس 4 بوصات. ونظرًا لإمكانية تحديث خطوط إنتاج رقائق السيليكون الحالية بقياس 6 بوصات وتحويلها لإنتاج أجهزة كربيد السيليكون، فمن المتوقع الحفاظ على الحصة السوقية العالية لركائز كربيد السيليكون بقياس 6 بوصات لفترة طويلة.

تُعدّ عملية إنتاج ركائز كربيد السيليكون عملية معقدة وصعبة. ركائز كربيد السيليكون عبارة عن مادة شبه موصلة مركبة أحادية البلورة تتكون من عنصرين: الكربون والسيليكون. حاليًا، تستخدم الصناعة بشكل أساسي مسحوق الكربون عالي النقاوة ومسحوق السيليكون عالي النقاوة كمواد خام لتصنيع مسحوق كربيد السيليكون. في ظل ظروف حرارية محددة، تُستخدم طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT) المُثبتة لإنتاج كربيد السيليكون بأحجام مختلفة في فرن نمو البلورات. تُعالج سبيكة البلورة في النهاية، من خلال عمليات متعددة تشمل القطع والطحن والتلميع والتنظيف، لإنتاج ركائز كربيد السيليكون.