الدور الحاسم لركائز SiC ونمو البلورات في صناعة أشباه الموصلات

ضمن سلسلة صناعة كربيد السيليكون (SiC)، يتمتع موردو الركائز بنفوذ كبير، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى توزيع القيمة.تمثل ركائز SiC 47% من القيمة الإجمالية، تليها الطبقات الفوقي بنسبة 23%.بينما يشكل تصميم الأجهزة وتصنيعها نسبة الـ 30% المتبقية. تنبع سلسلة القيمة المقلوبة هذه من الحواجز التكنولوجية العالية الكامنة في إنتاج الطبقة السفلية والفوقية.

3 تحديات رئيسية تعصف بنمو الركيزة SiC:ظروف النمو الصارمة، ومعدلات النمو البطيئة، والمتطلبات البلورية الصعبة. تساهم هذه التعقيدات في زيادة صعوبة المعالجة، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض إنتاجية المنتج وارتفاع التكاليف. علاوة على ذلك، يعد سمك الطبقة الفوقية وتركيز المنشطات من العوامل الحاسمة التي تؤثر بشكل مباشر على أداء الجهاز النهائي.

عملية تصنيع الركيزة SiC:

تركيب المواد الخام:يتم خلط مساحيق السيليكون والكربون عالية النقاء بدقة وفقًا لوصفة محددة. يخضع هذا الخليط لتفاعل في درجة حرارة عالية (أعلى من 2000 درجة مئوية) لتجميع جزيئات SiC مع بنية بلورية متحكم فيها وحجم الجسيمات. تنتج عمليات التكسير والغربلة والتنظيف اللاحقة مسحوق SiC عالي النقاء مناسب لنمو البلورات.

نمو الكريستال:باعتبارها الخطوة الأكثر أهمية في تصنيع الركيزة SiC، فإن نمو البلورات يحدد الخصائص الكهربائية للركيزة. حاليًا، تهيمن طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT) على نمو بلورات SiC التجارية. وتشمل البدائل ترسيب الأبخرة الكيميائية عالية الحرارة (HT-CVD) وتنضيد الطور السائل (LPE)، على الرغم من أن اعتمادها التجاري لا يزال محدودًا.

معالجة الكريستال:تتضمن هذه المرحلة تحويل كرات SiC إلى رقائق مصقولة من خلال سلسلة من الخطوات الدقيقة: معالجة السبائك، وتقطيع الرقاقات، والطحن، والتلميع، والتنظيف. تتطلب كل خطوة معدات وخبرة عالية الدقة، مما يضمن في النهاية جودة وأداء الركيزة النهائية من SiC.

1. التحديات التقنية في نمو كريستال SiC:

يواجه نمو بلورات SiC عدة عقبات فنية:

درجات حرارة النمو المرتفعة:تتجاوز درجات الحرارة 2300 درجة مئوية، وتتطلب درجات الحرارة هذه رقابة صارمة على كل من درجة الحرارة والضغط داخل فرن النمو.

التحكم في تعدد الأنماط:يعرض SiC أكثر من 250 نوعًا متعددًا، مع كون 4H-SiC هو الأكثر تفضيلاً للتطبيقات الإلكترونية. يتطلب تحقيق هذا النمط المتعدد المحدد تحكمًا دقيقًا في نسبة السيليكون إلى الكربون، وتدرجات درجات الحرارة، وديناميكيات تدفق الغاز أثناء النمو.

معدل النمو البطيء:PVT، على الرغم من تأسيسه تجاريًا، يعاني من معدلات نمو بطيئة تبلغ حوالي 0.3-0.5 ملم / ساعة. يستغرق نمو بلورة 2 سم حوالي 7 أيام، مع الحد الأقصى لأطوال البلورة التي يمكن تحقيقها والتي تقتصر على 3-5 سم. ويتناقض هذا بشكل صارخ مع نمو بلورات السيليكون، حيث يصل ارتفاع الكرات إلى 2-3 أمتار خلال 72 ساعة، ويصل قطرها إلى 6-8 بوصات وحتى 12 بوصة في المرافق الجديدة. يحد هذا التناقض من أقطار سبيكة SiC، والتي تتراوح عادة من 4 إلى 6 بوصات.

في حين أن نقل البخار الفيزيائي (PVT) يهيمن على نمو بلورات SiC التجارية، فإن الطرق البديلة مثل ترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HT-CVD) و Epitaxy الطور السائل (LPE) توفر مزايا واضحة. ومع ذلك، فإن التغلب على القيود المفروضة عليها وتعزيز معدلات النمو وجودة الكريستال أمر بالغ الأهمية لاعتماد صناعة SiC على نطاق أوسع.

فيما يلي نظرة عامة مقارنة على تقنيات نمو البلورات هذه:

(1) نقل البخار المادي (PVT):

المبدأ: يستخدم آلية "التسامي والنقل وإعادة البلورة" لنمو بلورات SiC.

العملية: يتم خلط مساحيق الكربون والسيليكون عالية النقاء بنسب دقيقة. يتم وضع مسحوق SiC وبلورة البذور في أسفل وأعلى البوتقة داخل فرن النمو، على التوالي. درجات الحرارة التي تتجاوز 2000 درجة مئوية تخلق تدرجًا في درجة الحرارة، مما يتسبب في تسامى مسحوق SiC وإعادة بلورته على بلورة البذور، وتشكيل الكرة.

العيوب: معدلات نمو بطيئة (حوالي 2 سم في 7 أيام)، والقابلية للتفاعلات الطفيلية التي تؤدي إلى زيادة كثافات العيوب في البلورة المزروعة.

(2) ترسيب الأبخرة الكيميائية عند درجة حرارة عالية (HT-CVD):

المبدأ: عند درجات حرارة تتراوح بين 2000-2500 درجة مئوية، يتم إدخال الغازات الأولية عالية النقاء مثل السيلان والإيثان والبروبان والهيدروجين إلى غرفة التفاعل. تتحلل هذه الغازات في المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة، لتشكل سلائف غازية من كربيد السيليكون والتي تترسب وتتبلور لاحقًا على بلورة بذرة في منطقة درجة الحرارة المنخفضة.

المزايا: يتيح النمو البلوري المستمر، ويستخدم سلائف غازية عالية النقاء مما يؤدي إلى بلورات SiC عالية النقاء مع عيوب أقل.

العيوب: معدلات نمو بطيئة (حوالي 0.4-0.5 مم/ساعة)، ارتفاع تكاليف المعدات والتشغيل، قابلية انسداد مداخل ومخارج الغاز.

(3) تنضيد الطور السائل (LPE):

(على الرغم من عدم تضمينه في المقتطف الخاص بك، فأنا أقوم بإضافة نظرة عامة مختصرة عن LPE للتأكد من اكتماله.)

المبدأ: يستخدم آلية "الذوبان والترسيب". عند درجات حرارة تتراوح بين 1400-1800 درجة مئوية، يذوب الكربون في مصهور السيليكون عالي النقاء. تترسب بلورات SiC من المحلول المفرط التشبع أثناء تبريده.

المزايا: انخفاض درجات حرارة النمو يقلل من الضغوط الحرارية أثناء التبريد، مما يؤدي إلى انخفاض كثافات العيوب وزيادة جودة الكريستال. يقدم معدلات نمو أسرع بكثير مقارنة بـ PVT.

العيوب: عرضة للتلوث المعدني من البوتقة، ومحدودة في الأحجام البلورية التي يمكن تحقيقها، وتقتصر في المقام الأول على النمو على نطاق المختبر.

تقدم كل طريقة مزايا وقيودًا فريدة. يعتمد اختيار تقنية النمو الأمثل على متطلبات التطبيق المحددة، واعتبارات التكلفة، والخصائص البلورية المطلوبة.

2. تحديات وحلول معالجة كريستال SiC:

تقطيع الويفر:إن صلابة SiC وهشاشتها ومقاومتها للتآكل تجعل عملية التقطيع صعبة. إن النشر التقليدي لسلك الماس يستغرق وقتًا طويلاً ومهدرًا ومكلفًا. تشمل الحلول تقنيات التقطيع بالليزر والتقسيم على البارد لتحسين كفاءة التقطيع وإنتاج الرقاقات.

ترقق الرقاقة:إن صلابة الكسر المنخفضة التي يتمتع بها SiC تجعله عرضة للتشقق أثناء عملية التخفيف، مما يعيق تقليل السُمك الموحد. تعتمد التقنيات الحالية على الطحن الدوراني، الذي يعاني من تآكل العجلات وتلف السطح. يتم استكشاف طرق متقدمة مثل الطحن بمساعدة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية والتلميع الميكانيكي الكهروكيميائي لتعزيز معدلات إزالة المواد وتقليل عيوب السطح.

3. النظرة المستقبلية:

يعد تحسين نمو بلورات SiC ومعالجة الرقاقات أمرًا ضروريًا لاعتماد SiC على نطاق واسع. ستركز الأبحاث المستقبلية على زيادة معدلات النمو، وتحسين جودة البلورات، وتعزيز كفاءة معالجة الرقاقات لإطلاق الإمكانات الكاملة لهذه المادة الواعدة من أشباه الموصلات.**