ما هو مستقبل الجرافيت المطلي بـ SiC؟

الشكل 1. مستقبل الجرافيت المطلي بـ SiC

1. الطبقة الفوقية ومعداتها

أثناء عملية تصنيع الرقاقة، نحتاج إلى بناء طبقة فوقية على بعض ركائز الرقاقة لتسهيل تصنيع الأجهزة. يشير Epitaxy إلى عملية زراعة بلورة واحدة جديدة على ركيزة بلورية واحدة تمت معالجتها بعناية عن طريق القطع والطحن والتلميع. يمكن أن تكون البلورة المفردة الجديدة هي نفس مادة الركيزة، أو مادة مختلفة (متجانسة المحور أو متغايرة المحور). وبما أن الطبقة البلورية المفردة الجديدة تنمو على طول الطور البلوري للركيزة، فإنها تسمى الطبقة الفوقية، ويتم تصنيع الجهاز على الطبقة الفوقي. 

على سبيل المثال، أGaAs الفوقييتم تحضير الطبقة على ركيزة من السيليكون للأجهزة الباعثة للضوء LED؛ أكربيد الفوقيتتم زراعة الطبقة على ركيزة موصلة من SiC لبناء SBD وMOSFET وأجهزة أخرى في تطبيقات الطاقة؛ يتم إنشاء الطبقة الفوقية من GaN على ركيزة شبه عازلة من SiC لمواصلة تصنيع الأجهزة مثل HEMT في تطبيقات الترددات الراديوية مثل الاتصالات. تحدد المعلمات مثل سمك المواد الفوقي SiC وتركيز حامل الخلفية بشكل مباشر الخواص الكهربائية المختلفة لأجهزة SiC. في هذه العملية، لا يمكننا الاستغناء عن معدات ترسيب البخار الكيميائي (CVD).

الشكل 2. أوضاع نمو الفيلم الفوقي

2. أهمية مستقبل الجرافيت المطلي بـ SiC في معدات الأمراض القلبية الوعائية

في معدات الأمراض القلبية الوعائية، لا يمكننا وضع الركيزة مباشرة على المعدن أو ببساطة على قاعدة للترسيب الفوقي، لأنها تنطوي على العديد من العوامل مثل اتجاه تدفق الغاز (أفقي، عمودي)، ودرجة الحرارة، والضغط، والتثبيت والملوثات. ولذلك، نحن بحاجة إلى استخدام sceptor (ناقلة الويفر) لوضع الركيزة على صينية واستخدام تقنية CVD لإجراء الترسيب الفوقي عليها. هذا المستقبِل هو مستقبِل الجرافيت المطلي بـ SiC (يُسمى أيضًا الدرج).

2.1 تطبيق ممتص الجرافيت المطلي بـ SiC في معدات MOCVD

يلعب مستقبِل الجرافيت المطلي بـ SiC دورًا رئيسيًا فيمعدات ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD).لدعم وتسخين ركائز الكريستال واحدة. يعد الاستقرار الحراري والاتساق الحراري لهذا المستقبِل أمرًا بالغ الأهمية لجودة المواد الفوقي، لذلك يعتبر مكونًا أساسيًا لا غنى عنه في معدات MOCVD. تُستخدم تقنية ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD) حاليًا على نطاق واسع في النمو الفوقي للأغشية الرقيقة GaN في مصابيح LED الزرقاء لأنها تتمتع بمزايا التشغيل البسيط ومعدل النمو الذي يمكن التحكم فيه والنقاء العالي.

باعتبارها واحدة من المكونات الأساسية في معدات MOCVD، فإن مستقبل الجرافيت Vetek لأشباه الموصلات مسؤول عن دعم وتسخين الركائز البلورية المفردة، مما يؤثر بشكل مباشر على توحيد ونقاء مواد الأغشية الرقيقة، وبالتالي يرتبط بجودة تحضير الرقائق الفوقي. ومع زيادة عدد الاستخدامات وتغير بيئة العمل، فإن مستقبِل الجرافيت يكون عرضة للتآكل، وبالتالي يتم تصنيفه على أنه مادة مستهلكة.

2.2. خصائص مستقبل الجرافيت المطلي بـ SIC

لتلبية احتياجات معدات MOCVD، يجب أن يكون للطلاء المطلوب لمستشعر الجرافيت خصائص محددة لتلبية المعايير التالية:

✔  تغطية جيدة: يجب أن يغطي طلاء SiC المستشعر بالكامل وأن يتمتع بدرجة عالية من الكثافة لمنع حدوث ضرر في بيئة الغاز المسببة للتآكل.

✔  قوة ترابط عالية: يجب أن يكون الطلاء مرتبطًا بقوة بالمستقبل وليس من السهل أن يسقط بعد دورات متعددة من درجات الحرارة العالية والمنخفضة.

✔  ثبات كيميائي جيد: يجب أن يتمتع الطلاء بثبات كيميائي جيد لتجنب الفشل في درجات الحرارة المرتفعة والأجواء المسببة للتآكل.

2.3 الصعوبات والتحديات في مطابقة مواد الجرافيت وكربيد السيليكون

يؤدي كربيد السيليكون (SiC) أداءً جيدًا في الأجواء الفوقية GaN نظرًا لمزاياه مثل مقاومة التآكل، والتوصيل الحراري العالي، ومقاومة الصدمات الحرارية، والثبات الكيميائي الجيد. معامل التمدد الحراري الخاص به يشبه معامل التمدد الحراري للجرافيت، مما يجعله المادة المفضلة للطلاءات المقاومة للجرافيت.

ومع ذلك، بعد كل شيء،الجرافيتوكربيد السيليكونمادتان مختلفتان، وستظل هناك حالات يكون فيها الطلاء ذو ​​عمر خدمة قصير، ومن السهل أن يسقط، ويزيد من التكاليف بسبب اختلاف معاملات التمدد الحراري. 

3. تكنولوجيا طلاء SiC

3.1. الأنواع الشائعة من SiC

في الوقت الحاضر، تشمل الأنواع الشائعة من SiC 3C و4H و6H، وأنواع مختلفة من SiC مناسبة لأغراض مختلفة. على سبيل المثال، 4H-SiC مناسب لتصنيع الأجهزة عالية الطاقة، 6H-SiC مستقر نسبيًا ويمكن استخدامه للأجهزة الإلكترونية الضوئية، ويمكن استخدام 3C-SiC لإعداد الطبقات الفوقية GaN وتصنيع أجهزة SiC-GaN RF بسبب هيكلها مماثل لGAN. يشار إلى 3C-SiC أيضًا باسم β-SiC، والذي يستخدم بشكل أساسي للأغشية الرقيقة ومواد الطلاء. لذلك، يعد β-SiC حاليًا أحد المواد الرئيسية للطلاء.

3.2 .طلاء كربيد السيليكونطريقة التحضير

هناك العديد من الخيارات لإعداد طلاءات كربيد السيليكون، بما في ذلك طريقة الجل-سول، وطريقة الرش، وطريقة الرش بالشعاع الأيوني، وطريقة تفاعل البخار الكيميائي (CVR) وطريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD). من بينها، تعد طريقة ترسيب البخار الكيميائي (CVD) حاليًا هي التقنية الرئيسية لإعداد طلاءات SiC. تقوم هذه الطريقة بترسيب طبقات SiC على سطح الركيزة من خلال تفاعل الطور الغازي، والذي يتميز بمزايا الترابط الوثيق بين الطلاء والركيزة، مما يحسن مقاومة الأكسدة ومقاومة الاجتثاث لمادة الركيزة.

إن طريقة التلبيد ذات درجة الحرارة العالية، عن طريق وضع ركيزة الجرافيت في مسحوق التضمين وتلبيدها عند درجة حرارة عالية تحت جو خامل، تشكل أخيرًا طلاء SiC على سطح الركيزة، وهو ما يسمى طريقة التضمين. على الرغم من أن هذه الطريقة بسيطة والطلاء مرتبط بإحكام بالركيزة، إلا أن تجانس الطلاء في اتجاه السُمك يكون ضعيفًا، وتكون الثقوب عرضة للظهور، مما يقلل من مقاومة الأكسدة.

✔  طريقة الرشيتضمن رش المواد الخام السائلة على سطح الركيزة الجرافيت، ثم تصلب المواد الخام عند درجة حرارة معينة لتشكيل طبقة. على الرغم من أن هذه الطريقة منخفضة التكلفة، إلا أن الطلاء مرتبط بشكل ضعيف بالركيزة، ويكون الطلاء ضعيف التوحيد، وسمك رقيق، ومقاومة أكسدة ضعيفة، وعادة ما يتطلب معالجة إضافية.

✔  تقنية الرش بالأشعة الأيونيةيستخدم مسدس شعاع أيوني لرش المواد المنصهرة أو المنصهرة جزئيًا على سطح ركيزة الجرافيت، والتي تتصلب بعد ذلك وتترابط لتشكل طبقة. على الرغم من أن العملية بسيطة ويمكن أن تنتج طلاء كربيد السيليكون كثيف نسبيًا، إلا أن الطلاء سهل الكسر وله مقاومة ضعيفة للأكسدة. يتم استخدامه عادةً لتحضير الطلاءات المركبة عالية الجودة من SiC.

✔طريقة السول جلتتضمن هذه الطريقة تحضير محلول محلول موحد وشفاف، وتطبيقه على سطح الركيزة، ثم التجفيف والتلبيد لتشكيل طبقة. على الرغم من أن العملية بسيطة والتكلفة منخفضة، إلا أن الطلاء المُجهز يتمتع بمقاومة منخفضة للصدمات الحرارية ويكون عرضة للتشقق، لذا فإن نطاق تطبيقه محدود.

✔ تقنية التفاعل البخاري الكيميائي (CVR): يستخدم CVR مسحوق Si وSiO2 لتوليد بخار SiO، ويشكل طلاء SiC عن طريق التفاعل الكيميائي على سطح الركيزة المصنوعة من مادة الكربون. على الرغم من أنه يمكن تحضير طلاء مترابط بإحكام، إلا أنه يلزم درجة حرارة تفاعل أعلى وتكون التكلفة مرتفعة.

✔  ترسيب البخار الكيميائي (CVD): CVD هي التقنية الأكثر استخدامًا حاليًا لتحضير طلاءات SiC، وتتكون طلاءات SiC من خلال تفاعلات الطور الغازي على سطح الركيزة. يتم ربط الطلاء المحضر بهذه الطريقة بشكل وثيق بالركيزة، مما يحسن مقاومة أكسدة الركيزة ومقاومة الاجتثاث، ولكنه يتطلب وقت ترسيب طويل، وقد يكون غاز التفاعل سامًا.

الشكل 3. مخطط ترسب البخار الكيميائي

4. المنافسة في السوق وفيتيك لأشباه الموصلاتالابتكار التكنولوجي

في سوق ركائز الجرافيت المطلية بـ SiC، بدأ المصنعون الأجانب في وقت سابق، مع مزايا رائدة واضحة وحصة سوقية أعلى. على المستوى الدولي، تعد Xycard في هولندا، وSGL في ألمانيا، وToyo Tanso في اليابان، وMEMC في الولايات المتحدة من الموردين الرئيسيين، وهم يحتكرون السوق الدولية بشكل أساسي. ومع ذلك، فقد اخترقت الصين الآن التكنولوجيا الأساسية لطلاءات SiC المتنامية بشكل موحد على سطح ركائز الجرافيت، وتم التحقق من جودتها من قبل العملاء المحليين والأجانب. في الوقت نفسه، لديها أيضًا بعض المزايا التنافسية في السعر، والتي يمكن أن تلبي متطلبات معدات MOCVD لاستخدام ركائز الجرافيت المطلية بـ SiC. 

وقد شاركت Vetek Semiconductor في البحث والتطوير في مجالطلاءات كربيد السيليكونلأكثر من 20 عاما. لذلك، قمنا بإطلاق نفس تقنية الطبقة العازلة مثل SGL. من خلال تكنولوجيا المعالجة الخاصة، يمكن إضافة طبقة عازلة بين الجرافيت وكربيد السيليكون لزيادة عمر الخدمة بأكثر من مرتين.