الماس - نجم المستقبل لأشباه الموصلات

مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا والطلب العالمي المتزايد على أجهزة أشباه الموصلات عالية الأداء والكفاءة، أصبحت المواد الأساسية لأشباه الموصلات، كحلقة تقنية رئيسية في سلسلة صناعة أشباه الموصلات، ذات أهمية متزايدة. من بينها، الماس، باعتباره مادة محتملة من الجيل الرابع "أشباه الموصلات النهائية"، أصبح تدريجياً نقطة بحثية ساخنة ومفضلة جديدة في السوق في مجال المواد الأساسية لأشباه الموصلات بسبب خصائصه الفيزيائية والكيميائية الممتازة.

خصائص الماس

الماس عبارة عن بلورة ذرية نموذجية وبلورة تساهمية. يظهر التركيب البلوري في الشكل 1 (أ). وتتكون من ذرة الكربون الوسطى المرتبطة بذرات الكربون الثلاث الأخرى على شكل رابطة تساهمية. الشكل 1 (ب) هو بنية خلية الوحدة، التي تعكس الدورية المجهرية والتماثل الهيكلي للماس.

الشكل 1: التركيب البلوري للماس (أ)؛ ( ب ) هيكل خلية الوحدة

الماس هو أصلب مادة في العالم، ويتميز بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة، وخصائص ممتازة في الميكانيكا والكهرباء والبصريات، كما هو موضح في الشكل 2: يتمتع الماس بصلابة عالية جدًا ومقاومة للتآكل، ومناسب لقطع المواد والمسافات البادئة، إلخ. .، ويستعمل بشكل جيد في الأدوات الكاشطة؛ (2) يتمتع الماس بأعلى موصلية حرارية (2200 واط/(م·ك)) بين المواد الطبيعية المعروفة حتى الآن، وهي أكبر بأربع مرات من كربيد السيليكون (SiC)، وأكبر بـ 13 مرة من السيليكون (Si)، وأكبر بـ 43 مرة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وأكبر بـ 4 إلى 5 مرات من النحاس والفضة، ويستخدم في الأجهزة عالية الطاقة. يتميز بخصائص ممتازة مثل معامل التمدد الحراري المنخفض (0.8×10-6-1.5×10^-6K^-1) ومعامل مرونة عالية. إنها مادة تغليف إلكترونية ممتازة ذات آفاق جيدة. 

حركة الثقب 4500 سم2·V^-1· ق^-1، وحركة الإلكترون 3800 سم2·V^-1· ق^-1، مما يجعلها قابلة للتطبيق على أجهزة التبديل عالية السرعة؛ قوة مجال الانهيار هي 13MV/cm، والتي يمكن تطبيقها على الأجهزة ذات الجهد العالي؛ يصل رقم الجدارة باليجا إلى 24664، وهو أعلى بكثير من المواد الأخرى (كلما زادت القيمة، زادت إمكانية استخدامها في تبديل الأجهزة). 

الماس متعدد البلورات له أيضًا تأثير زخرفي. طلاء الماس ليس له تأثير فلاش فحسب، بل له أيضًا مجموعة متنوعة من الألوان. يتم استخدامه في تصنيع الساعات الراقية، والطلاءات الزخرفية للسلع الفاخرة، وبشكل مباشر كمنتج للأزياء. تبلغ قوة وصلابة الألماس 6 أضعاف و10 أضعاف قوة زجاج كورنينج، لذلك فهو يستخدم أيضًا في شاشات الهواتف المحمولة وعدسات الكاميرات.

الشكل 2: خصائص الماس ومواد أشباه الموصلات الأخرى

تحضير الماس

ينقسم نمو الماس بشكل أساسي إلى طريقة HTHP (طريقة درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي) وطريقة الأمراض القلبية الوعائية (طريقة ترسيب البخار الكيميائي). أصبحت طريقة CVD هي الطريقة السائدة لإعداد ركائز أشباه الموصلات الماسية نظرًا لمزاياها مثل مقاومة الضغط العالي والتردد الراديوي الكبير والتكلفة المنخفضة ومقاومة درجات الحرارة العالية. تركز طريقتان النمو على تطبيقات مختلفة، وسوف تظهر علاقة تكاملية لفترة طويلة في المستقبل.

تتمثل طريقة درجة الحرارة المرتفعة والضغط العالي (HTHP) في صنع عمود أساسي من الجرافيت عن طريق خلط مسحوق الجرافيت ومسحوق المحفز المعدني والمواد المضافة بالنسب المحددة في صيغة المادة الخام، ثم التحبيب والضغط الثابت وتقليل الفراغ والفحص والوزن وغيرها من العمليات. يتم بعد ذلك تجميع العمود الأساسي من الجرافيت مع الكتلة المركبة والأجزاء المساعدة وغيرها من وسائط نقل الضغط المختومة لتشكيل كتلة اصطناعية يمكن استخدامها لتجميع بلورات الماس المفردة. بعد ذلك يتم وضعه في مكبس علوي سداسي الجوانب للتسخين والضغط ويبقى ثابتاً لفترة طويلة. بعد اكتمال نمو البلورة، يتم إيقاف الحرارة وتحرير الضغط، ويتم إزالة وسط نقل الضغط المختوم للحصول على العمود الاصطناعي، والذي يتم بعد ذلك تنقيته وفرزه للحصول على بلورات الماس المفردة.

الشكل 3: مخطط هيكلي للضغط العلوي ذو الجوانب الستة

بسبب استخدام المحفزات المعدنية، فإن جزيئات الماس المحضرة بطريقة HTHP الصناعية غالبا ما تحتوي على شوائب وعيوب معينة، وبسبب إضافة النيتروجين، عادة ما يكون لها لون أصفر. بعد ترقية التكنولوجيا، يمكن لتحضير الماس بدرجة الحرارة العالية والضغط العالي استخدام طريقة التدرج في درجة الحرارة لإنتاج بلورات مفردة من الماس عالية الجودة والجسيمات الكبيرة، مما يحقق تحويل درجة الماس الكاشطة الصناعية إلى درجة الأحجار الكريمة.

الشكل 4: مورفولوجيا الماس

يعد ترسيب البخار الكيميائي (CVD) الطريقة الأكثر شيوعًا لتصنيع أفلام الماس. وتشمل الطرق الرئيسية ترسيب البخار الكيميائي للخيوط الساخنة (HFCVD) وترسيب البخار الكيميائي لبلازما الميكروويف (MPCVD).

(1) ترسيب البخار الكيميائي ذو الخيوط الساخنة

المبدأ الأساسي لـ HFCVD هو اصطدام غاز التفاعل بسلك معدني عالي الحرارة في غرفة مفرغة لتوليد مجموعة متنوعة من المجموعات "غير المشحونة" النشطة للغاية. يتم ترسيب ذرات الكربون المتولدة على المادة الأساسية لتكوين الماس النانوي. المعدات سهلة التشغيل، ولها تكلفة نمو منخفضة، وتستخدم على نطاق واسع، وسهلة لتحقيق الإنتاج الصناعي. نظرًا لانخفاض كفاءة التحلل الحراري والتلوث الخطير بالذرات المعدنية من الفتيل والقطب الكهربائي، عادةً ما يتم استخدام HFCVD فقط لإعداد أفلام الماس متعدد البلورات التي تحتوي على كمية كبيرة من شوائب الكربون في الطور sp2 عند حدود الحبوب، لذلك يكون لونه رمادي-أسود بشكل عام .

الشكل 5: (أ) مخطط معدات HFCVD، (ب) مخطط هيكل غرفة الفراغ

(2) ترسيب البخار الكيميائي لبلازما الميكروويف

تستخدم طريقة MPCVD المغنطرون أو مصدر الحالة الصلبة لتوليد موجات ميكروويف ذات تردد محدد، والتي يتم تغذيتها إلى غرفة التفاعل من خلال الدليل الموجي، وتشكل موجات ثابتة فوق الركيزة وفقًا للأبعاد الهندسية الخاصة لغرفة التفاعل. 

يقوم المجال الكهرومغناطيسي عالي التركيز بتكسير غازات التفاعل الميثان والهيدروجين هنا لتشكيل كرة بلازما مستقرة. سوف تتنوى المجموعات الذرية الغنية بالإلكترونات والأيونات والنشطة وتنمو على الركيزة عند درجة الحرارة والضغط المناسبين، مما يؤدي إلى نمو متجانس ببطء. بالمقارنة مع HFCVD، فإنه يتجنب تلوث طبقة الماس الناتجة عن تبخر الأسلاك المعدنية الساخنة ويزيد من نقاء طبقة الماس النانوية. ويمكن استخدام المزيد من غازات التفاعل في العملية مقارنة بمركبات HFCVD، كما أن بلورات الماس المفردة المترسبة أنقى من الماس الطبيعي. لذلك، يمكن تحضير النوافذ متعددة الكريستالات الماسية ذات الدرجة الضوئية، والبلورات المفردة الماسية ذات الدرجة الإلكترونية، وما إلى ذلك.

الشكل 6: الهيكل الداخلي لـ MPCVD

التنمية ومعضلة الماس

منذ أن تم تطوير أول ألماس صناعي بنجاح في عام 1963، وبعد أكثر من 60 عامًا من التطوير، أصبحت بلدي الدولة التي لديها أكبر إنتاج للماس الاصطناعي في العالم، وهو ما يمثل أكثر من 90٪ من العالم. ومع ذلك، يتركز الماس الصيني بشكل رئيسي في أسواق التطبيقات المنخفضة والمتوسطة، مثل طحن المواد الكاشطة والبصريات ومعالجة مياه الصرف الصحي وغيرها من المجالات. إن تطوير الماس المحلي كبير ولكنه ليس قويا، وهو في وضع غير مؤات في العديد من المجالات مثل المعدات المتطورة والمواد الإلكترونية. 

ومن حيث الإنجازات الأكاديمية في مجال الماس CVD، فإن الأبحاث في الولايات المتحدة واليابان وأوروبا تحتل مكانة رائدة، وهناك عدد قليل نسبيًا من الأبحاث الأصلية في بلدي. بدعم من البحث والتطوير الرئيسيين لـ "الخطة الخمسية الثالثة عشرة"، قفزت بلورات الماس المفردة كبيرة الحجم المحلية المقسمة إلى مكانة من الدرجة الأولى في العالم. فيما يتعلق بالبلورات الفوقية المفردة غير المتجانسة، لا تزال هناك فجوة كبيرة في الحجم والجودة، والتي يمكن تجاوزها في "الخطة الخمسية الرابعة عشرة".

أجرى الباحثون من جميع أنحاء العالم أبحاثًا متعمقة حول نمو الماس وتعاطيه وتجميع الأجهزة من أجل تحقيق تطبيق الماس في الأجهزة الإلكترونية البصرية وتلبية توقعات الناس للماس كمادة متعددة الوظائف. ومع ذلك، فإن فجوة شريط الماس تصل إلى 5.4 فولت. يمكن تحقيق الموصلية من النوع p عن طريق تطعيم البورون، ولكن من الصعب جدًا الحصول على الموصلية من النوع n. قام الباحثون من مختلف البلدان بتطعيم الشوائب مثل النيتروجين والفوسفور والكبريت في بلورة مفردة أو ألماس متعدد البلورات في شكل استبدال ذرات الكربون في الشبكة. ومع ذلك، نظرًا لمستوى طاقة المانح العميق أو صعوبة تأين الشوائب، لم يتم الحصول على موصلية جيدة من النوع n، مما يحد بشكل كبير من البحث وتطبيق الأجهزة الإلكترونية المعتمدة على الماس. 

وفي الوقت نفسه، يصعب تحضير الماس أحادي البلورة ذو المساحة الكبيرة بكميات كبيرة مثل رقائق السيليكون أحادية البلورة، وهو ما يمثل صعوبة أخرى في تطوير أجهزة أشباه الموصلات القائمة على الماس. توضح المشكلتان المذكورتان أعلاه أن نظرية تعاطي أشباه الموصلات وتطوير الأجهزة الحالية يصعب حل مشاكل تطعيم الماس من النوع n وتجميع الأجهزة. ومن الضروري البحث عن طرق منشطات ومنشطات أخرى، أو حتى تطوير مبادئ جديدة للتنشيط وتطوير الأجهزة.

كما أن الأسعار المرتفعة بشكل مفرط تحد من تطوير الماس. بالمقارنة مع سعر السيليكون، فإن سعر كربيد السيليكون هو 30-40 مرة سعر السيليكون، وسعر نيتريد الغاليوم هو 650-1300 مرة سعر السيليكون، وسعر مواد الماس الاصطناعية ما يقرب من 10000 مرة سعر السيليكون. السعر المرتفع للغاية يحد من تطوير الماس وتطبيقه. إن كيفية خفض التكاليف هي نقطة انطلاق لكسر معضلة التنمية.

التوقعات

على الرغم من أن أشباه الموصلات الماسية تواجه حاليًا صعوبات في التطوير، إلا أنها لا تزال تعتبر المادة الواعدة لإعداد الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة والتردد العالي ودرجات الحرارة العالية وفقدان الطاقة المنخفضة. في الوقت الحالي، يشغل كربيد السيليكون أهم أشباه الموصلات. يمتلك كربيد السيليكون هيكل الماس، لكن نصف ذراته عبارة عن كربون. ولذلك، يمكن اعتباره نصف الماس. يجب أن يكون كربيد السيليكون منتجًا انتقاليًا من عصر كريستال السيليكون إلى عصر أشباه الموصلات الماسية.

عبارة "الألماس إلى الأبد، والماس واحد يدوم إلى الأبد" جعلت اسم دي بيرز مشهورًا حتى يومنا هذا. بالنسبة لأشباه الموصلات الماسية، فإن صنع نوع آخر من المجد قد يتطلب استكشافًا دائمًا ومستمرًا.

VeTek Semiconductor هي شركة صينية محترفة لتصنيعطلاء كربيد التنتالوم, طلاء كربيد السيليكونمنتجات الجاليوم,الجرافيت الخاص, سيراميك كربيد السيليكونوسيراميك أشباه الموصلات الأخرى. تلتزم شركة VeTek Semiconductor بتوفير حلول متقدمة لمختلف منتجات الطلاء لصناعة أشباه الموصلات.

إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

الغوغاء/واتساب: +86-180 6922 0752

البريد الإلكتروني: anny@veteksemi.com