ما هي العوائق التقنية أمام كربيد السيليكون؟Ⅱ

تشمل الصعوبات التقنية في إنتاج رقائق كربيد السيليكون عالية الجودة بشكل مستقر بكميات كبيرة مع أداء مستقر ما يلي:

1) نظرًا لأن البلورات تحتاج إلى النمو في بيئة محكمة الغلق ذات درجة حرارة عالية تزيد عن 2000 درجة مئوية، فإن متطلبات التحكم في درجة الحرارة مرتفعة للغاية؛
٢) بما أن كربيد السيليكون يحتوي على أكثر من ٢٠٠ بنية بلورية، إلا أن عددًا قليلًا فقط من هياكل كربيد السيليكون أحادية البلورة يُعدّ مواد أشباه الموصلات المطلوبة، لذا يجب التحكم بدقة في نسبة السيليكون إلى الكربون، وتدرج درجة حرارة النمو، ونمو البلورات أثناء عملية النمو. وتشمل هذه المعلمات السرعة وضغط تدفق الهواء.
3) في ظل طريقة نقل الطور البخاري، فإن تقنية توسيع قطر نمو بلورة كربيد السيليكون صعبة للغاية؛
4) صلابة كربيد السيليكون قريبة من صلابة الماس، وتقنيات القطع والطحن والتلميع صعبة.

رقائق كربيد السيليكون الفوقية: تُصنع عادةً بطريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). تُصنف هذه الرقائق، وفقًا لأنواع التنشيط المختلفة، إلى رقائق كربيد سيليكون فوقية من النوع n وp. تُنتج شركتا هانتيان تيانشينغ ودونغقوان تيانيو المحليتان رقائق كربيد سيليكون فوقية بأحجام 4/6 بوصات. يصعب التحكم في رقاقات كربيد السيليكون الفوقية في مجال الجهد العالي، كما أن جودة رقاقات كربيد السيليكون الفوقية تؤثر بشكل كبير على أجهزة كربيد السيليكون. علاوة على ذلك، تحتكر أربع شركات رائدة في هذا المجال معدات الرقاقات الفوقية، وهي: أكسيترون، وإل بي إي، وتيل، ونوفلار.

كربيد السيليكون الطلائيرقاقة كربيد السيليكون هي رقاقة كربيد سيليكون تُزرع فيها طبقة بلورية أحادية (طبقة فوقية) ذات متطلبات معينة، وهي نفس متطلبات بلورة الركيزة، على ركيزة كربيد السيليكون الأصلية. يستخدم النمو فوقي بشكل أساسي معدات الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) أو معدات ترسيب الحزمة الجزيئية (MBE). نظرًا لأن أجهزة كربيد السيليكون تُصنع مباشرة في الطبقة فوقية، فإن جودة الطبقة فوقية تؤثر بشكل مباشر على أداء الجهاز وإنتاجيته. مع استمرار زيادة أداء تحمل الجهد للجهاز، يزداد سمك الطبقة فوقية المقابلة ويصبح التحكم أكثر صعوبة. بشكل عام، عندما يكون الجهد حوالي 600 فولت، يكون سمك الطبقة فوقية المطلوب حوالي 6 ميكرون؛ وعندما يكون الجهد بين 1200-1700 فولت، يصل سمك الطبقة فوقية المطلوب إلى 10-15 ميكرون. إذا تجاوز الجهد 10,000 فولت، فقد يلزم سمك طبقة فوقية يزيد عن 100 ميكرون. ومع استمرار زيادة سمك الطبقة فوقية، يزداد صعوبة التحكم في تجانس السمك والمقاومة وكثافة العيوب.

أجهزة كربيد السيليكون (SiC): على الصعيد الدولي، تم تصنيع ترانزستورات كربيد السيليكون SBD وMOSFET بجهد يتراوح بين 600 و1700 فولت. تعمل المنتجات الرئيسية بجهد أقل من 1200 فولت، وتعتمد بشكل أساسي على التغليف بالبثق (TO). أما من حيث التسعير، فإن أسعار منتجات كربيد السيليكون في السوق العالمية أعلى بحوالي 5-6 مرات من نظيراتها من السيليكون. ومع ذلك، فإن الأسعار تنخفض بمعدل سنوي قدره 10%. مع توسع إنتاج المواد والأجهزة الأولية خلال العامين أو الثلاثة أعوام القادمة، سيزداد المعروض في السوق، مما سيؤدي إلى مزيد من انخفاض الأسعار. ومن المتوقع أنه عندما يصل سعر منتجات السيليكون إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف سعرها، فإن المزايا التي يوفرها انخفاض تكاليف النظام وتحسين الأداء ستدفع كربيد السيليكون تدريجيًا إلى احتلال سوق أجهزة السيليكون.
يعتمد التغليف التقليدي على ركائز السيليكون، بينما تتطلب مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث تصميمًا جديدًا كليًا. قد يُثير استخدام هياكل التغليف التقليدية القائمة على السيليكون لأجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق العريض مشكلات وتحديات جديدة تتعلق بالتردد، والإدارة الحرارية، والموثوقية. تُعدّ أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون أكثر حساسية للسعة الطفيلية والمحاثة. وبالمقارنة مع أجهزة السيليكون، تتميز رقائق الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون بسرعات تحويل أعلى، مما قد يؤدي إلى تجاوز الحد الأقصى، والتذبذب، وزيادة خسائر التحويل، وحتى أعطال الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، تعمل أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون في درجات حرارة أعلى، مما يتطلب تقنيات إدارة حرارية أكثر تطورًا.

طُوِّرت هياكل متنوعة في مجال تغليف الطاقة بأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض. لم تعد تغليف وحدات الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون (SiC) مناسبة. ولحل مشاكل ارتفاع المعاملات الطفيلية وضعف كفاءة تبديد الحرارة في تغليف وحدات الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون، اعتمدت تغليف وحدات الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) تقنية التوصيل اللاسلكي والتبريد ثنائي الجانب في هيكلها، كما اعتمدت مواد ركيزة ذات موصلية حرارية أفضل، ودمجت مكثفات فصل، ومستشعرات درجة الحرارة/التيار، ودوائر تشغيل في هيكل الوحدة، وطورت تقنيات تغليف مختلفة. علاوة على ذلك، تواجه تصنيع أجهزة كربيد السيليكون (SiC) عوائق تقنية كبيرة، كما أن تكاليف الإنتاج مرتفعة.

تُصنع أجهزة كربيد السيليكون عن طريق ترسيب طبقات فوقية على ركيزة كربيد السيليكون من خلال الترسيب الكيميائي للبخار. تتضمن العملية التنظيف، والأكسدة، والطباعة الضوئية، والنقش، ونزع المقاوم الضوئي، وزرع الأيونات، والترسيب الكيميائي للبخار لنتريد السيليكون، والتلميع، والرش، وخطوات المعالجة اللاحقة لتشكيل هيكل الجهاز على ركيزة أحادية البلورة من كربيد السيليكون. تشمل الأنواع الرئيسية لأجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون ثنائيات وترانزستورات ووحدات طاقة من كربيد السيليكون. نظرًا لعوامل مثل بطء سرعة إنتاج المواد الأولية وانخفاض معدلات الإنتاج، فإن تكاليف تصنيع أجهزة كربيد السيليكون مرتفعة نسبيًا.

بالإضافة إلى ذلك، فإن تصنيع أجهزة كربيد السيليكون يواجه بعض الصعوبات التقنية:

١) من الضروري تطوير عملية محددة تتوافق مع خصائص مواد كربيد السيليكون. على سبيل المثال: يتميز كربيد السيليكون (SiC) بدرجة انصهار عالية، مما يُعيق فعالية الانتشار الحراري التقليدي. من الضروري استخدام طريقة التطعيم بغرس الأيونات والتحكم بدقة في معايير مثل درجة الحرارة، ومعدل التسخين، والمدة، وتدفق الغاز؛ فكربيد السيليكون خامل تجاه المذيبات الكيميائية. يجب استخدام طرق مثل النقش الجاف، وتحسين وتطوير مواد التغطية، ومخاليط الغاز، والتحكم في ميل الجدار الجانبي، ومعدل النقش، وخشونة الجدار الجانبي، وما إلى ذلك.
٢) يتطلب تصنيع الأقطاب الكهربائية المعدنية على رقائق كربيد السيليكون مقاومة تلامس أقل من ١٠-٥Ω². مواد الأقطاب الكهربائية التي تستوفي هذه المتطلبات، النيكل والألمنيوم، تتميز بثبات حراري ضعيف فوق ١٠٠ درجة مئوية، بينما يتميز الألومنيوم/النيكل بثبات حراري أفضل. مقاومة التلامس النوعية لمادة الأقطاب الكهربائية المركبة (W/Au) أعلى بمقدار ١٠-٣Ω².
3) يتمتع SiC بمقاومة عالية للتآكل عند القطع، وتأتي صلابة SiC في المرتبة الثانية بعد الماس، مما يضع متطلبات أعلى للقطع والطحن والتلميع وغيرها من التقنيات.

علاوة على ذلك، يُعد تصنيع أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون الخندقي أكثر صعوبة. ووفقًا لهياكل الأجهزة المختلفة، يمكن تقسيم أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون بشكل رئيسي إلى أجهزة مستوية وأجهزة خندقية. تتميز أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون المستوية بتناسق جيد للوحدة وعملية تصنيع بسيطة، ولكنها عرضة لتأثير JFET وتتمتع بسعة طفيلية عالية ومقاومة عالية لحالة التشغيل. بالمقارنة مع الأجهزة المستوية، تتميز أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون الخندقي بتناسق أقل للوحدة وعملية تصنيع أكثر تعقيدًا. ومع ذلك، فإن هيكل الخندق يساعد على زيادة كثافة وحدة الجهاز ويقل احتمال إنتاجه لتأثير JFET، مما يفيد في حل مشكلة حركة القناة. يتميز بخصائص ممتازة مثل مقاومة التشغيل الصغيرة والسعة الطفيلية الصغيرة واستهلاك منخفض للطاقة عند التبديل. يتمتع بمزايا كبيرة من حيث التكلفة والأداء، وأصبح الاتجاه السائد لتطوير أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون. وفقًا للموقع الرسمي لشركة Rohm، فإن هيكل ROHM Gen3 (هيكل Gen1 Trench) يمثل 75% فقط من مساحة شريحة Gen2 (Plannar2)، كما يتم تقليل مقاومة هيكل ROHM Gen3 بنسبة 50% تحت نفس حجم الشريحة.

تشكل ركيزة كربيد السيليكون، والتكوين الطبقي، والتكاليف الأولية، ونفقات البحث والتطوير وغيرها 47%، و23%، و19%، و6%، و5% من تكلفة تصنيع أجهزة كربيد السيليكون على التوالي.

وأخيرًا، سنركز على كسر الحواجز التقنية للركائز في سلسلة صناعة كربيد السيليكون.

تعتبر عملية إنتاج ركائز كربيد السيليكون مشابهة لعملية إنتاج الركائز القائمة على السيليكون، ولكنها أكثر صعوبة.
تتضمن عملية تصنيع ركيزة كربيد السيليكون بشكل عام تركيب المواد الخام، ونمو البلورات، ومعالجة السبائك، وقطع السبائك، وطحن الرقاقة، والتلميع، والتنظيف وغيرها من الروابط.
مرحلة نمو البلورات هي جوهر العملية بأكملها، وتحدد هذه الخطوة الخصائص الكهربائية لركيزة كربيد السيليكون.

يصعب نمو مواد كربيد السيليكون في الطور السائل في الظروف العادية. تتميز طريقة النمو في الطور البخاري الشائعة في السوق اليوم بدرجة حرارة نمو أعلى من 2300 درجة مئوية وتتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة حرارة النمو. تكاد تكون عملية التشغيل بأكملها صعبة المتابعة، حيث يؤدي أي خطأ طفيف إلى تلف المنتج. بالمقارنة، تتطلب مواد السيليكون درجة حرارة 1600 درجة مئوية فقط، وهي أقل بكثير. يواجه تحضير ركائز كربيد السيليكون أيضًا صعوبات مثل بطء نمو البلورات وارتفاع متطلبات شكل البلورات. يستغرق نمو رقاقة كربيد السيليكون حوالي 7 إلى 10 أيام، بينما يستغرق سحب قضيب السيليكون يومين ونصف فقط. علاوة على ذلك، يُعد كربيد السيليكون مادة ذات صلابة لا تضاهي الماس إلا صلابة. يفقد الكثير من صلابته أثناء القطع والطحن والتلميع، ونسبة إنتاجه 60% فقط.

نعلم أن التوجه السائد هو زيادة حجم ركائز كربيد السيليكون، ومع استمرار ازدياد الحجم، تزداد متطلبات تقنية توسيع القطر. ويتطلب تحقيق نمو متكرر للبلورات مزيجًا من عناصر التحكم التقني المختلفة.