ما هي العوائق التقنية التي تواجه استخدام كربيد السيليكون؟

تشمل الصعوبات التقنية في الإنتاج الضخم والمستقر لرقائق كربيد السيليكون عالية الجودة ذات الأداء المستقر ما يلي:

1) بما أن البلورات تحتاج إلى النمو في بيئة مغلقة ذات درجة حرارة عالية تزيد عن 2000 درجة مئوية، فإن متطلبات التحكم في درجة الحرارة عالية للغاية؛
2) نظرًا لأن كربيد السيليكون يحتوي على أكثر من 200 بنية بلورية، ولكن عددًا قليلًا فقط من بنى كربيد السيليكون أحادي البلورة هي مواد أشباه الموصلات المطلوبة، فإن نسبة السيليكون إلى الكربون، وتدرج درجة حرارة النمو، ونمو البلورة تتطلب تحكمًا دقيقًا أثناء عملية نمو البلورة. وتشمل هذه المعايير السرعة وضغط تدفق الهواء؛
3) في ظل طريقة نقل الطور البخاري، فإن تقنية توسيع قطر نمو بلورات كربيد السيليكون صعبة للغاية؛
4) صلابة كربيد السيليكون قريبة من صلابة الماس، وتقنيات القطع والطحن والتلميع صعبة.

رقائق السيليكون كاربيد المُرَسَّبة: تُصنَّع عادةً بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). تُقسَّم هذه الرقائق، وفقًا لأنواع التطعيم المختلفة، إلى رقائق من النوع n ورقائق من النوع p. تُوفِّر شركتا هانتيان تيانتشنغ ودونغقوان تيانيو المحليتان رقائق السيليكون كاربيد المُرَسَّبة بقياس 4 بوصات و6 بوصات. يُعدُّ التحكم في عملية الترسيب الطبقي للسيليكون كاربيد صعبًا في مجال الجهد العالي، وتؤثر جودة الترسيب الطبقي تأثيرًا كبيرًا على أداء أجهزة السيليكون كاربيد. علاوةً على ذلك، تحتكر أربع شركات رائدة في هذا المجال معدات الترسيب الطبقي، وهي: أكسيترون، وإل بي إي، وتيل، ونوفلاير.

طبقة رقيقة من كربيد السيليكونتشير الرقاقة إلى رقاقة من كربيد السيليكون تُنمى عليها طبقة أحادية البلورة (طبقة فوقية) ذات خصائص محددة، مطابقة لبلورة الركيزة الأصلية. تعتمد عملية النمو فوق البلوري بشكل أساسي على معدات الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) أو معدات الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE). ونظرًا لأن أجهزة كربيد السيليكون تُصنع مباشرةً في الطبقة فوقية، فإن جودة هذه الطبقة تؤثر بشكل مباشر على أداء الجهاز وإنتاجيته. ومع ازدياد قدرة تحمل الجهد للجهاز، يزداد سمك الطبقة فوقية، ما يجعل التحكم بها أكثر صعوبة. عمومًا، عند جهد حوالي 600 فولت، يكون سمك الطبقة فوقية المطلوب حوالي 6 ميكرومترات؛ وعند جهد يتراوح بين 1200 و1700 فولت، يصل سمك الطبقة فوقية المطلوب إلى 10-15 ميكرومترًا. إذا تجاوز الجهد 10000 فولت، فقد يلزم سمك طبقة فوقية يزيد عن 100 ميكرون. ومع استمرار زيادة سمك الطبقة الفوقية، يصبح من الصعب التحكم في سمكها وتجانس مقاومتها وكثافة عيوبها.

أجهزة كربيد السيليكون: على الصعيد العالمي، تم تصنيع ثنائيات شوتكي (SiC SBD) وموسفتات (MOSFET) من كربيد السيليكون بجهد يتراوح بين 600 و1700 فولت. تعمل المنتجات الرئيسية بجهد أقل من 1200 فولت، وتعتمد بشكل أساسي على تغليف أكسيد التيتانيوم (TO). من حيث السعر، تُباع منتجات كربيد السيليكون في السوق العالمية بسعر أعلى بنحو 5 إلى 6 مرات من نظيراتها المصنوعة من السيليكون. ومع ذلك، تنخفض الأسعار بمعدل سنوي قدره 10%. ومع توسع إنتاج المواد الخام والأجهزة خلال العامين أو الثلاثة أعوام القادمة، سيزداد المعروض في السوق، مما سيؤدي إلى مزيد من انخفاض الأسعار. من المتوقع أنه عندما يصل سعر كربيد السيليكون إلى ضعفين أو ثلاثة أضعاف سعر منتجات السيليكون، فإن المزايا التي يوفرها انخفاض تكاليف النظام وتحسين الأداء ستدفع كربيد السيليكون تدريجيًا إلى الاستحواذ على حصة أكبر من سوق أجهزة السيليكون.
تعتمد تقنيات التغليف التقليدية على ركائز سيليكونية، بينما تتطلب مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث تصميمًا جديدًا كليًا. قد يُؤدي استخدام هياكل التغليف التقليدية القائمة على السيليكون لأجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق العريض إلى ظهور مشكلات وتحديات جديدة تتعلق بالتردد، والإدارة الحرارية، والموثوقية. تُعد أجهزة طاقة كربيد السيليكون (SiC) أكثر حساسية للسعة والحث الطفيليين. وبالمقارنة مع أجهزة السيليكون، تتميز رقائق طاقة كربيد السيليكون بسرعات تبديل أعلى، مما قد يؤدي إلى تجاوز الجهد، والتذبذب، وزيادة خسائر التبديل، وحتى أعطال في الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، تعمل أجهزة طاقة كربيد السيليكون في درجات حرارة أعلى، مما يتطلب تقنيات إدارة حرارية أكثر تطورًا.

طُوِّرت هياكل متنوعة في مجال تغليف طاقة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض. لم يعد تغليف وحدات الطاقة التقليدي القائم على السيليكون مناسبًا. ولحل مشكلات ارتفاع المعاملات الطفيلية وضعف كفاءة تبديد الحرارة في تغليف وحدات الطاقة التقليدي القائم على السيليكون، يعتمد تغليف وحدات الطاقة المصنوع من كربيد السيليكون على تقنية التوصيل اللاسلكي والتبريد من الجانبين، كما يستخدم مواد ركائز ذات موصلية حرارية أفضل، ويسعى إلى دمج مكثفات الفصل، ومستشعرات درجة الحرارة/التيار، ودوائر القيادة في بنية الوحدة، مما أدى إلى تطوير تقنيات تغليف متنوعة. علاوة على ذلك، توجد عوائق تقنية كبيرة أمام تصنيع أجهزة كربيد السيليكون، وتكاليف إنتاجها مرتفعة.

تُصنع أجهزة كربيد السيليكون بترسيب طبقات رقيقة متنامية على ركيزة من كربيد السيليكون باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). تتضمن هذه العملية التنظيف، والأكسدة، والطباعة الضوئية، والحفر، وإزالة طبقة المقاوم الضوئي، وزرع الأيونات، والترسيب الكيميائي للبخار لنيتريد السيليكون، والتلميع، والترسيب بالرش، وخطوات معالجة لاحقة لتشكيل بنية الجهاز على ركيزة أحادية البلورة من كربيد السيليكون. تشمل الأنواع الرئيسية لأجهزة طاقة كربيد السيليكون ثنائيات كربيد السيليكون، وترانزستورات كربيد السيليكون، ووحدات طاقة كربيد السيليكون. ونظرًا لعوامل مثل بطء سرعة إنتاج المواد الخام وانخفاض معدلات الإنتاج، فإن أجهزة كربيد السيليكون تتميز بتكاليف تصنيع مرتفعة نسبيًا.

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

1) من الضروري تطوير عملية محددة تتوافق مع خصائص مواد كربيد السيليكون. على سبيل المثال: يتميز كربيد السيليكون بنقطة انصهار عالية، مما يجعل الانتشار الحراري التقليدي غير فعال. لذا، من الضروري استخدام طريقة التطعيم بزرع الأيونات والتحكم بدقة في معايير مثل درجة الحرارة ومعدل التسخين والمدة وتدفق الغاز. كما أن كربيد السيليكون خامل تجاه المذيبات الكيميائية. لذلك، ينبغي استخدام طرق مثل الحفر الجاف، وتحسين وتطوير مواد القناع ومخاليط الغاز والتحكم في ميل الجدار الجانبي ومعدل الحفر وخشونة الجدار الجانبي، وما إلى ذلك.
2) يتطلب تصنيع الأقطاب المعدنية على رقائق كربيد السيليكون مقاومة تلامس أقل من 10⁻⁵ أوم². تتميز مواد الأقطاب التي تفي بالمتطلبات، وهي النيكل والألومنيوم، بثبات حراري ضعيف فوق 100 درجة مئوية، بينما يتمتع مركب الألومنيوم/النيكل بثبات حراري أفضل. تبلغ مقاومة التلامس النوعية لمادة القطب المركب /W/Au 10⁻³ أوم² أعلى.
3) يتميز كربيد السيليكون بمقاومة عالية للتآكل أثناء القطع، وصلابة كربيد السيليكون تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس، مما يفرض متطلبات أعلى للقطع والطحن والتلميع وغيرها من التقنيات.

علاوة على ذلك، تُعدّ أجهزة طاقة كربيد السيليكون ذات الخنادق أكثر صعوبة في التصنيع. وبحسب بنيتها، يمكن تقسيم أجهزة طاقة كربيد السيليكون بشكل أساسي إلى أجهزة مستوية وأجهزة ذات خنادق. تتميز أجهزة طاقة كربيد السيليكون المستوية بتجانس وحداتها وسهولة تصنيعها، إلا أنها عُرضة لتأثير JFET، كما أنها ذات سعة طفيلية عالية ومقاومة تشغيل مرتفعة. بالمقارنة مع الأجهزة المستوية، تتميز أجهزة طاقة كربيد السيليكون ذات الخنادق بتجانس وحدات أقل وعملية تصنيع أكثر تعقيدًا. مع ذلك، تُسهم بنية الخنادق في زيادة كثافة وحدات الجهاز، وتقلل من احتمالية حدوث تأثير JFET، مما يُساعد في حل مشكلة حركة الإلكترونات في القناة. تتمتع هذه الأجهزة بخصائص ممتازة، مثل مقاومة تشغيل منخفضة، وسعة طفيلية منخفضة، واستهلاك منخفض لطاقة التبديل. كما أنها تتمتع بمزايا كبيرة من حيث التكلفة والأداء، وأصبحت الاتجاه السائد في تطوير أجهزة طاقة كربيد السيليكون. وفقًا للموقع الرسمي لشركة Rohm، فإن بنية ROHM Gen3 (بنية Gen1 Trench) تبلغ 75٪ فقط من مساحة شريحة Gen2 (Plannar2)، كما أن مقاومة التشغيل لبنية ROHM Gen3 تنخفض بنسبة 50٪ بنفس حجم الشريحة.

تمثل ركائز كربيد السيليكون، والترسيب الطبقي، والواجهة الأمامية، ونفقات البحث والتطوير وغيرها 47٪ و23٪ و19٪ و6٪ و5٪ من تكلفة تصنيع أجهزة كربيد السيليكون على التوالي.

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

إن عملية إنتاج ركائز كربيد السيليكون تشبه عملية إنتاج الركائز القائمة على السيليكون، ولكنها أكثر صعوبة.
تتضمن عملية تصنيع ركيزة كربيد السيليكون بشكل عام توليف المواد الخام، ونمو البلورات، ومعالجة السبائك، وقطع السبائك، وطحن الرقائق، والتلميع، والتنظيف، وغيرها من الروابط.
تُعد مرحلة نمو البلورات جوهر العملية بأكملها، وتحدد هذه الخطوة الخصائص الكهربائية لركيزة كربيد السيليكون.

يصعب إنتاج مواد كربيد السيليكون في الحالة السائلة في الظروف العادية. تتطلب طريقة النمو في الحالة البخارية، الشائعة في السوق حاليًا، درجة حرارة نمو تتجاوز 2300 درجة مئوية، وتستلزم تحكمًا دقيقًا في درجة حرارة النمو. يكاد يكون من المستحيل مراقبة عملية الإنتاج بأكملها، فأي خطأ بسيط قد يؤدي إلى تلف المنتج. في المقابل، لا تتطلب مواد السيليكون سوى 1600 درجة مئوية، وهي درجة حرارة أقل بكثير. كما يواجه تحضير ركائز كربيد السيليكون صعوبات أخرى، مثل بطء نمو البلورات ومتطلبات الشكل البلوري العالية. يستغرق نمو رقائق كربيد السيليكون من 7 إلى 10 أيام، بينما لا يستغرق سحب قضبان السيليكون سوى يومين ونصف. علاوة على ذلك، يُعد كربيد السيليكون ثاني أقوى مادة بعد الماس، مما يؤدي إلى فقدان جزء كبير من صلابته أثناء القطع والطحن والتلميع، وبالتالي لا تتجاوز نسبة الإنتاج 60%.

نعلم أن الاتجاه السائد هو زيادة حجم ركائز كربيد السيليكون، ومع استمرار زيادة الحجم، تزداد متطلبات تقنية توسيع القطر. ويتطلب ذلك مزيجًا من عناصر التحكم التقنية المختلفة لتحقيق نمو متكرر للبلورات.