ما هي تطبيقات طلاءات SiC وTaC في مجال أشباه الموصلات؟

كيف يتم تعريف قطاع أشباه الموصلات على نطاق واسع وما هي مكوناته الرئيسية؟

يشير قطاع أشباه الموصلات على نطاق واسع إلى استخدام خصائص مواد أشباه الموصلات لإنتاج دوائر متكاملة لأشباه الموصلات (ICs)، وشاشات أشباه الموصلات (لوحات LCD/OLED)، وإضاءة أشباه الموصلات (LED)، ومنتجات طاقة أشباه الموصلات (الخلايا الكهروضوئية) من خلال عمليات تصنيع أشباه الموصلات ذات الصلة. وتمثل الدوائر المتكاملة ما يصل إلى 80% من هذا القطاع، لذلك، بشكل ضيق، تشير صناعة أشباه الموصلات غالبًا إلى صناعة الدوائر المتكاملة على وجه التحديد.

في الأساس، يتضمن تصنيع أشباه الموصلات إنشاء هياكل دوائر على "ركيزة" وربط هذه الدائرة بأنظمة طاقة وتحكم خارجية لتحقيق وظائف مختلفة. يمكن تصنيع الركائز، وهو مصطلح يستخدم في الصناعة، من مواد شبه موصلة مثل Si أو SiC، أو مواد غير شبه موصلة مثل الياقوت أو الزجاج. باستثناء صناعات LED والألواح، فإن رقائق السيليكون هي الركائز الأكثر استخدامًا. يشير Epitaxy إلى عملية زراعة مادة رقيقة جديدة على الركيزة، مع المواد الشائعة مثل Si، وSiC، وGaN، وGaAs، وما إلى ذلك. يوفر Epitaxy مرونة كبيرة لمصممي الأجهزة لتحسين أداء الجهاز من خلال التحكم في عوامل مثل سمك المنشطات، التركيز، والملف الشخصي للطبقة الفوقي، بشكل مستقل عن الركيزة. يتم تحقيق هذا التحكم من خلال المنشطات أثناء عملية النمو الفوقي.

ما الذي تشتمل عليه عملية الواجهة الأمامية في تصنيع أشباه الموصلات؟

تعد عملية الواجهة الأمامية الجزء الأكثر تعقيدًا من الناحية الفنية وكثافة رأس المال في تصنيع أشباه الموصلات، وتتطلب تكرار نفس الإجراءات عدة مرات، ومن ثم يطلق عليها "العملية الدورية". وهي تشمل في المقام الأول التنظيف، والأكسدة، والطباعة الحجرية الضوئية، والحفر، وزرع الأيونات، والانتشار، والتليين، وترسيب الأغشية الرقيقة، والتلميع.

كيف تحمي الطلاءات معدات تصنيع أشباه الموصلات؟

تعمل معدات تصنيع أشباه الموصلات في بيئات ذات درجة حرارة عالية وشديدة التآكل وتتطلب نظافة عالية للغاية. وبالتالي، فإن حماية المكونات الداخلية للمعدات يمثل تحديًا بالغ الأهمية. تعمل تقنية الطلاء على تعزيز وحماية المواد الأساسية من خلال تشكيل طبقة تغطية رقيقة على أسطحها. يسمح هذا التكيف للمواد الأساسية بمقاومة بيئات الإنتاج الأكثر تطرفًا وتعقيدًا، وتحسين استقرارها في درجات الحرارة العالية، ومقاومتها للتآكل، ومقاومة الأكسدة، وإطالة عمرها الافتراضي.

لماذاطلاء سيكهل لها أهمية في مجال تصنيع ركيزة السيليكون؟

في أفران نمو بلورات السيليكون، يمكن لبخار السيليكون ذو درجة الحرارة العالية حوالي 1500 درجة مئوية أن يؤدي إلى تآكل مكونات مادة الجرافيت أو الكربون بشكل كبير. تطبيق عالية النقاءطلاء سيكعلى هذه المكونات يمكن أن يمنع بخار السيليكون بشكل فعال ويطيل عمر خدمة المكونات.

إن عملية إنتاج رقائق السيليكون شبه الموصلة معقدة، وتتضمن خطوات عديدة، مع كون نمو البلورات، وتشكيل رقاقة السيليكون، والنمو الفوقي هي المراحل الأولية. النمو البلوري هو العملية الأساسية في إنتاج رقائق السيليكون. خلال مرحلة إعداد البلورة الواحدة، يتم تحديد المعلمات التقنية الحاسمة مثل قطر الرقاقة، واتجاه البلورة، ونوع موصلية المنشطات، ونطاق المقاومة والتوزيع، وتركيز الكربون والأكسجين، وعيوب الشبكة. عادةً ما يتم تحضير السيليكون أحادي البلورة باستخدام طريقة Czochralski (CZ) أو طريقة Float Zone (FZ). طريقة CZ هي الأكثر استخدامًا، حيث تمثل حوالي 85% من بلورات السيليكون المفردة. لا يمكن إنتاج رقائق السيليكون مقاس 12 بوصة إلا باستخدام طريقة CZ. تتضمن هذه الطريقة وضع مادة البولي سيليكون عالية النقاء في بوتقة كوارتز، وصهرها تحت حماية غاز خامل عالي النقاء، ثم إدخال بذرة سيليكون أحادية البلورة في المصهور. عندما يتم سحب البذرة، تنمو البلورة لتصبح قضيب سيليكون أحادي البلورة.

كيف هوطلاء تاكهل تتطور باستخدام طرق PVT؟

الخصائص المتأصلة في SiC (عدم وجود الطور السائل Si: C = 1: 1 عند الضغط الجوي) تجعل نمو البلورة المفردة أمرًا صعبًا. في الوقت الحالي، تشمل الأساليب السائدة نقل البخار الفيزيائي (PVT)، وترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HT-CVD)، وتنضيد الطور السائل (LPE). من بين هذه، يعتبر PVT هو الأكثر اعتماداً على نطاق واسع نظرًا لمتطلباته المنخفضة من المعدات، والعملية الأبسط، وإمكانية التحكم القوية، والتطبيقات الصناعية الراسخة.

تسمح طريقة PVT بالتحكم في مجالات درجة الحرارة المحورية والقطرية عن طريق ضبط ظروف العزل الحراري خارج بوتقة الجرافيت. يتم وضع مسحوق SiC في الجزء السفلي الأكثر سخونة من بوتقة الجرافيت، بينما يتم تثبيت بلورة بذور SiC في الجزء العلوي الأكثر برودة. عادة ما يتم التحكم في المسافة بين المسحوق والبذور إلى عدة عشرات من المليمترات لتجنب الاتصال بين بلورة SiC المتنامية والمسحوق. باستخدام طرق تسخين مختلفة (التسخين بالحث أو المقاومة)، يتم تسخين مسحوق SiC إلى 2200-2500 درجة مئوية، مما يتسبب في تسامى المسحوق الأصلي وتحلله إلى مكونات غازية مثل Si، وSi2C، وSiC2. يتم نقل هذه الغازات إلى نهاية بلورة البذور عن طريق الحمل الحراري، حيث يتبلور SiC، مما يحقق نمو بلورة واحدة. معدل النمو النموذجي هو 0.2-0.4 مم/ساعة، ويتطلب 7-14 يومًا لنمو سبيكة كريستال 20-30 مم.

يعد وجود شوائب الكربون في بلورات SiC المزروعة بـ PVT مصدرًا كبيرًا للخلل، مما يساهم في الأنابيب الدقيقة والعيوب متعددة الأشكال، مما يؤدي إلى تدهور جودة بلورات SiC وتحد من أداء الأجهزة المعتمدة على SiC. بشكل عام، يعتبر جرافيت مسحوق SiC وجبهة النمو الغنية بالكربون مصادر معترف بها لشوائب الكربون: 1) أثناء تحلل مسحوق SiC، يتراكم بخار Si في الطور الغازي بينما يتركز C في الطور الصلب، مما يؤدي إلى كربنة شديدة للمسحوق متأخرا في النمو. بمجرد أن تتغلب جزيئات الكربون الموجودة في المسحوق على الجاذبية وتنتشر في سبيكة SiC، تتشكل شوائب الكربون. 2) في ظل الظروف الغنية بـ Si، يتفاعل بخار Si الزائد مع جدار بوتقة الجرافيت، مما يشكل طبقة SiC رقيقة يمكن أن تتحلل بسهولة إلى جزيئات كربون ومكونات تحتوي على Si.

هناك طريقتان يمكنهما معالجة هذه المشكلات: 1) تصفية جزيئات الكربون من مسحوق SiC المتفحم بشدة في وقت متأخر من النمو. 2) منع بخار Si من تآكل جدار بوتقة الجرافيت. العديد من الكربيدات، مثل TaC، يمكن أن تعمل بثبات فوق 2000 درجة مئوية ومقاومة التآكل الكيميائي بواسطة الأحماض والقلويات وبخار NH3 وH2 وSi. مع تزايد متطلبات الجودة لرقائق SiC، يتم استكشاف تطبيق طلاءات TaC في تكنولوجيا نمو بلورات SiC صناعيًا. تشير الدراسات إلى أن بلورات SiC المحضرة باستخدام مكونات الجرافيت المطلية بـ TaC في أفران النمو PVT تكون أنقى، مع انخفاض كبير في كثافات العيوب، مما يعزز جودة البلورة بشكل كبير.

أ) مساميةTaC أو الجرافيت المسامي المطلي بـ TaC: يقوم بتصفية جزيئات الكربون، ويمنع انتشارها في البلورة، ويضمن تدفق هواء موحد.

ب)المغلفة بـ TaCالحلقات: عزل بخار Si عن جدار بوتقة الجرافيت، مما يمنع تآكل جدار البوتقة بواسطة بخار Si.

ج)المغلفة بـ TaCأدلة التدفق: عزل بخار Si عن جدار بوتقة الجرافيت أثناء توجيه تدفق الهواء نحو بلورة البذور.

د)المغلفة بـ TaCحاملات بلورات البذور: اعزل بخار Si عن الغطاء العلوي للبوتقة لمنع تآكل الغطاء العلوي بواسطة بخار Si.

كيفطلاء الأمراض القلبية الوعائية كربيدالاستفادة من تصنيع الركيزة GaN؟

حاليًا، يبدأ الإنتاج التجاري لركائز GaN بإنشاء طبقة عازلة (أو طبقة قناع) على ركيزة من الياقوت. يتم بعد ذلك استخدام مرحلة بخار الهيدروجين (HVPE) لتنمية فيلم GaN بسرعة على هذه الطبقة العازلة، متبوعًا بالفصل والتلميع للحصول على ركيزة GaN قائمة بذاتها. كيف يعمل HVPE داخل مفاعلات الكوارتز ذات الضغط الجوي، بالنظر إلى متطلباته لكل من التفاعلات الكيميائية ذات درجات الحرارة المنخفضة والعالية؟

في منطقة درجات الحرارة المنخفضة (800-900 درجة مئوية)، يتفاعل حمض الهيدروكلوريك الغازي مع Ga المعدني لإنتاج GaCl الغازي.

في منطقة درجة الحرارة المرتفعة (1000-1100 درجة مئوية)، يتفاعل GaCl الغازي مع NH3 الغازي ليشكل فيلم GaN أحادي البلورة.

ما هي المكونات الهيكلية لمعدات HVPE، وكيف يتم حمايتها من التآكل؟ يمكن أن تكون معدات HVPE إما أفقية أو رأسية، وتتكون من مكونات مثل قارب الغاليوم، وجسم الفرن، والمفاعل، ونظام تكوين الغاز، ونظام العادم. صواني وقضبان الجرافيت، التي تتلامس مع NH3، تكون عرضة للتآكل ويمكن حمايتها باستخدام مادةطلاء سيكلمنع الضرر.

ما هي أهمية تقنية CVD في تصنيع GaN Epitaxy؟

في مجال أجهزة أشباه الموصلات، لماذا من الضروري بناء طبقات فوقية على ركائز معينة من الرقاقات؟ يتضمن المثال النموذجي مصابيح LED ذات اللون الأزرق والأخضر، والتي تتطلب طبقات GaN الفوقي على ركائز الياقوت. تعد معدات MOCVD أمرًا حيويًا في عملية إنتاج GaN epitaxy، حيث أن الموردين الرئيسيين هم AMEC، وAixtron، وVeeco في الصين.

لماذا لا يمكن وضع الركائز مباشرة على قواعد معدنية أو بسيطة أثناء الترسيب الفوقي في أنظمة MOCVD؟ ويجب أن تؤخذ في الاعتبار عوامل مثل اتجاه تدفق الغاز (أفقي، عمودي)، ودرجة الحرارة، والضغط، وتثبيت الركيزة، والتلوث من الحطام. لذلك، يتم استخدام مُستقبل ذو جيوب لحمل الركائز، ويتم إجراء الترسيب الفوقي باستخدام تقنية CVD على الركائز الموضوعة في هذه الجيوب. الالمستقبِل عبارة عن قاعدة من الجرافيت مع طلاء SiC.

ما هو التفاعل الكيميائي الأساسي في منطقة GaN، ولماذا تعد جودة طلاء SiC أمرًا بالغ الأهمية؟ التفاعل الأساسي هو NH3 + TMGA → GaN + المنتجات الثانوية (عند حوالي 1050-1100 درجة مئوية). ومع ذلك، يتحلل NH3 حراريًا عند درجات حرارة عالية، ويطلق الهيدروجين الذري، الذي يتفاعل بقوة مع الكربون الموجود في الجرافيت. نظرًا لأن NH3/H2 لا يتفاعل مع SiC عند 1100 درجة مئوية، فإن التغليف الكامل وجودة طلاء SiC يعد أمرًا بالغ الأهمية للعملية.

في مجال تصنيع طبقة SiC، كيف يتم تطبيق الطلاءات ضمن الأنواع الرئيسية لغرف التفاعل؟

SiC عبارة عن مادة متعددة الأنماط تحتوي على أكثر من 200 بنية بلورية مختلفة، من بينها 3C-SiC و4H-SiC و6H-SiC هي الأكثر شيوعًا. 4H-SiC هو الهيكل البلوري المستخدم في الغالب في الأجهزة السائدة. العامل المهم الذي يؤثر على التركيب البلوري هو درجة حرارة التفاعل. تميل درجات الحرارة الأقل من عتبة معينة إلى إنتاج أشكال بلورية أخرى. تتراوح درجة حرارة التفاعل المثالية بين 1550 و1650 درجة مئوية؛ من المرجح أن تنتج درجات الحرارة التي تقل عن 1550 درجة مئوية 3C-SiC وغيرها من الهياكل. ومع ذلك، يتم استخدام 3C-SiC بشكل شائع فيطلاءات كربيد السيليكون، ودرجة حرارة التفاعل التي تبلغ حوالي 1600 درجة مئوية قريبة من حد 3C-SiC. على الرغم من أن التطبيق الحالي لطلاءات TaC محدود بسبب مشكلات التكلفة، إلا أنه على المدى الطويل،طلاءات تاكمن المتوقع أن تحل تدريجياً محل طلاءات SiC في المعدات الفوقي SiC.

حاليًا، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من أنظمة CVD لـ SiC: الجدار الساخن الكوكبي، والجدار الساخن الأفقي، والجدار الساخن العمودي. يتميز نظام CVD الكوكبي ذو الجدار الساخن بقدرته على إنتاج شرائح متعددة في دفعة واحدة، مما يؤدي إلى كفاءة إنتاجية عالية. يتضمن نظام CVD الأفقي للجدار الساخن عادةً نظام نمو كبير الحجم لرقاقة مفردة مدفوعًا بدوران تعويم الغاز، مما يسهل المواصفات الممتازة داخل الرقاقة. يتميز نظام CVD العمودي للجدار الساخن بشكل أساسي بالدوران عالي السرعة بمساعدة قاعدة ميكانيكية خارجية. إنه يقلل بشكل فعال من سمك الطبقة الحدودية عن طريق الحفاظ على ضغط أقل لغرفة التفاعل، وبالتالي تعزيز معدل النمو الفوقي. بالإضافة إلى ذلك، يفتقر تصميم الغرفة إلى جدار علوي يمكن أن يؤدي إلى ترسب جسيمات SiC، مما يقلل من خطر سقوط الجسيمات ويوفر ميزة متأصلة في التحكم في العيوب.

ما هي تطبيقات المعالجة الحرارية في درجات الحرارة العالية؟الأمراض القلبية الوعائية كربيدفي معدات الفرن الأنبوبي؟

تُستخدم معدات الفرن الأنبوبي على نطاق واسع في عمليات مثل الأكسدة، والانتشار، ونمو الأغشية الرقيقة، والتليين، وصناعة السبائك في صناعة أشباه الموصلات. هناك نوعان رئيسيان: الأفقي والرأسي. حاليًا، تستخدم صناعة IC في المقام الأول أفران الأنابيب العمودية. اعتمادًا على ضغط العملية والتطبيق، يمكن تصنيف معدات الفرن الأنبوبي إلى أفران الضغط الجوي وأفران الضغط المنخفض. تستخدم أفران الضغط الجوي بشكل أساسي في تعاطي المنشطات بالانتشار الحراري، وأكسدة الأغشية الرقيقة، والتليين بدرجة حرارة عالية، بينما تم تصميم أفران الضغط المنخفض لنمو أنواع مختلفة من الأغشية الرقيقة (مثل LPCVD وALD). إن هياكل معدات أفران الأنابيب المختلفة متشابهة، ويمكن تكوينها بمرونة لأداء وظائف الانتشار، والأكسدة، والتليين، وLPCVD، وALD حسب الحاجة. تعتبر أنابيب SiC الملبدة عالية النقاء، وقوارب رقاقة SiC، وجدران بطانة SiC مكونات أساسية داخل غرفة التفاعل لمعدات فرن الأنبوب. اعتمادا على متطلبات العملاء، إضافيةطلاء سيكيمكن تطبيق الطبقة على سطح سيراميك SiC الملبد لتعزيز الأداء.

في مجال تصنيع السيليكون الحبيبي الكهروضوئي، لماذا؟طلاء سيكهل تلعب دورًا محوريًا؟

البولي سيليكون، المشتق من السيليكون المعدني (أو السيليكون الصناعي)، هو مادة غير معدنية يتم تنقيتها من خلال سلسلة من التفاعلات الفيزيائية والكيميائية لتحقيق محتوى سيليكون يتجاوز 99.9999٪ (6N). في مجال الطاقة الكهروضوئية، تتم معالجة البولي سيليكون إلى رقائق وخلايا ووحدات، والتي تستخدم في نهاية المطاف في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية، مما يجعل البولي سيليكون عنصرًا أساسيًا في سلسلة صناعة الطاقة الكهروضوئية. حاليًا، هناك طريقان تكنولوجيان لإنتاج البولي سيليكون: عملية سيمنز المعدلة (التي تنتج السيليكون الشبيه بالقضيب) وعملية الطبقة المميعة السيلانية (التي تنتج السيليكون الحبيبي). في عملية سيمنز المعدلة، يتم تقليل SiHCl3 عالي النقاء بواسطة الهيدروجين عالي النقاء على قلب السيليكون عالي النقاء عند حوالي 1150 درجة مئوية، مما يؤدي إلى ترسب البولي سيليكون على قلب السيليكون. تستخدم عملية طبقة مميعة السيلاني عادةً SiH4 كغاز مصدر للسيليكون وH2 كغاز حامل، مع إضافة SiCl4 لتحلل SiH4 حراريًا في مفاعل طبقة مميعة عند درجة حرارة 600-800 درجة مئوية لإنتاج بولي سيليكون حبيبي. تظل عملية سيمنز المعدلة هي المسار الرئيسي لإنتاج البولي سيليكون نظرًا لتكنولوجيا الإنتاج الناضجة نسبيًا. ومع ذلك، مع استمرار شركات مثل GCL-Poly وTianhong Reike في تطوير تكنولوجيا السيليكون الحبيبي، قد تكتسب عملية طبقة السيلان المميعة حصة في السوق بسبب انخفاض تكلفتها وانخفاض انبعاثات الكربون.

لقد كان التحكم في نقاء المنتج تاريخياً نقطة ضعف في عملية الطبقة المميعة، وهو السبب الرئيسي لعدم تجاوزها لعملية سيمنز على الرغم من مزاياها الكبيرة من حيث التكلفة. تعمل البطانة بمثابة الهيكل الرئيسي ووعاء التفاعل لعملية طبقة السيلان المميعة، حيث تحمي الغلاف المعدني للمفاعل من التآكل والتآكل الناتج عن الغازات والمواد ذات درجة الحرارة العالية أثناء عزل درجة حرارة المادة والحفاظ عليها. نظرًا لظروف العمل القاسية والاتصال المباشر مع حبيبات السيليكون، يجب أن تظهر مادة البطانة درجة نقاء عالية، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للتآكل، وقوة عالية. تشمل المواد الشائعة الجرافيت مع أطلاء سيك. ومع ذلك، في الاستخدام الفعلي، هناك حالات تقشير / تشقق الطلاء التي تؤدي إلى زيادة محتوى الكربون في السيليكون الحبيبي، مما يؤدي إلى عمر قصير لبطانات الجرافيت والحاجة إلى الاستبدال المنتظم، وتصنيفها كمواد استهلاكية. إن التحديات التقنية المتعلقة بمواد بطانة القاعدة المميعة المطلية بـ SiC وتكاليفها المرتفعة تعيق اعتماد السوق لعملية طبقة المميعة السيلانية ويجب معالجتها للتطبيق على نطاق أوسع.

في أي التطبيقات يتم استخدام طلاء الجرافيت الحراري؟

الجرافيت الحراري هو مادة كربونية جديدة، تتكون من هيدروكربونات عالية النقاء يتم ترسيبها كيميائيًا عند ضغوط الفرن بين 1800 درجة مئوية و2000 درجة مئوية، مما يؤدي إلى كربون حراري عالي التوجه البلوري. يتميز بكثافة عالية (2.20 جم/سم مكعب)، ونقاوة عالية، وخصائص حرارية وكهربائية ومغناطيسية وميكانيكية متباينة الخواص. ويمكنه الحفاظ على فراغ يبلغ 10 مم زئبق حتى عند درجة حرارة 1800 درجة مئوية تقريبًا، مما يوفر إمكانات تطبيق واسعة في مجالات مثل الفضاء الجوي وأشباه الموصلات والخلايا الكهروضوئية والأدوات التحليلية.

في طبقة LED ذات اللون الأحمر والأصفر وبعض السيناريوهات الخاصة، لا يتطلب سقف MOCVD حماية طلاء SiC ويستخدم بدلاً من ذلك محلول طلاء الجرافيت الحراري.

تتطلب بوتقات الألمنيوم المبخر بشعاع الإلكترون كثافة عالية، ومقاومة لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية، وموصلية حرارية عالية، ومعامل تمدد حراري منخفض، ومقاومة للتآكل بواسطة الأحماض والقلويات والأملاح والكواشف العضوية. نظرًا لأن طلاء الجرافيت الحراري يشترك في نفس مادة بوتقة الجرافيت، فإنه يمكنه تحمل درجات الحرارة العالية والمنخفضة بشكل فعال، مما يطيل عمر خدمة بوتقة الجرافيت.**