حجم كبير + تكلفة منخفضة: كربيد السيليكون يفتح معركة من أجل تحقيق اختراقات!

1. مقدمة إلى كربيد السيليكون

لقد أصبحت مواد أشباه الموصلات نقطة محورية للمنافسة العالمية-في مجال التقنية العالية والتنافس-الرئيسي على الطاقة. ومن بينها،-مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة، والتي يمثلها كربيد السيليكون (SiC)، والتي تم تطبيقها في تطبيقات واسعة النطاق-في المجالات الرئيسية مثل-الجيل القادم من اتصالات الهاتف المحمول، والشبكات الذكية،-والنقل بالسكك الحديدية عالية السرعة، ومركبات الطاقة الجديدة، والإلكترونيات الاستهلاكية. يتميز كربيد السيليكون بفجوة نطاق واسعة، ومجال كهربائي عالي الانهيار، وموصلية حرارية عالية، وسرعة تشبع إلكترون عالية، ومقاومة قوية للإشعاع. ويمكنه تجاوز حدود أداء أجهزة أشباه الموصلات المعتمدة على السيليكون-ويُعتبر بمثابة "وحدة المعالجة المركزية" لإلكترونيات الطاقة وأجهزة ترددات راديو الميكروويف-، فضلاً عن كونه "الشريحة الأساسية" للاقتصاد الأخضر [1].

التركيب البلوري لكربيد السيليكون

كربيد السيليكون هو مركب IV-IV ذو خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة. تشكل ذرات Si وC روابط تساهمية من خلال مشاركة أزواج الإلكترونات في مدارات هجينة sp³، مما يؤدي إلى بنية ترابط رباعي السطوح لتكوين بلورات SiC. يحتوي كربيد السيليكون على أكثر من 200 نوع متعدد، والتي يتم إنشاؤها عن طريق تكديس طبقات ثنائية Si-C في تسلسلات مختلفة. تتضمن الأنواع المتعددة المعروفة 2H-SiC، 3C-SiC، 4H-SiC، 6H-SiC، 15R-SiC، إلخ. تعتمد تسمية الأنواع المتعددة على عدد طبقات Si-C الثنائية لكل خلية وحدة مدمجة مع النظام البلوري (C للمكعب، H للسداسي، R لـ معيني السطوح). تتميز الأنواع المتعددة من SiC بخصائص إلكترونية وبصرية وميكانيكية مختلفة، مما يوفر مزايا مميزة في التطبيقات المختلفة [2-4].

3C-كربيد: 3C-SiC هو أبسط نوع متعدد الأنواع، مع بنية معبأة قريبة من المكعب -. يتم ترتيب ذرات Si وC في نمط محدد ثلاثي الأبعاد-، مما يشكل بلورة شديدة التناظر. نظرًا لتماثله، يتمتع 3C-SiC بخصائص إلكترونية وبصرية سيئة نسبيًا، لذا فإن تطبيقه العملي محدود.

4H-SiC و6H-SiC: على عكس 3C-SiC، فإن 4H-SiC و6H-SiC لها هياكل سداسية قريبة من -. يتفوق كلا النوعين على 3C-SiC في قابلية تنقل الإلكترون، والتوصيل الحراري، وفجوة النطاق.. 4H-يتمتع SiC بقدرة أعلى على تنقل الإلكترون، مما يجعله أكثر مثالية للأجهزة الإلكترونية-التردد العالي والطاقة- العالية ويستخدم على نطاق واسع في مركبات الطاقة الجديدة، واتصالات 5G، وما إلى ذلك.. 6H-يحتوي SiC على فجوة نطاق أكبر، مما يجعله يؤدي أفضل في البيئات-درجة الحرارة العالية والإشعاع العالي-[4].

نظرة عامة على التطوير المحلي والدولي لكربيد السيليكون

في التسعينيات، كانت الشركات الأجنبية مثل Cree وWestinghouse قد أخذت بالفعل زمام المبادرة في تطوير وإنتاج ركائز SiC مقاس 2-4 بوصة. مع دخول القرن الحادي والعشرين، ومع التكرار التكنولوجي المستمر، أصبحت رقائق SiC مقاس 6-بوصة تدريجيًا هي السائدة في السوق. مدفوعًا بالنمو الهائل للسيارات الكهربائية وصناعات الطاقة الجديدة، استمر الطلب العالمي على مواد SiC في الارتفاع. قامت الشركات والمؤسسات البحثية المحلية والأجنبية بزيادة الاستثمار في البحث والتطوير في -رقائق SiC ذات الحجم الكبير-والجودة العالية. في الوقت الحالي، حققت الشركات المصنعة العالمية مثل Wolfspeed، وII-VI، وRohm إنتاجًا ضخمًا لركائز SiC مقاس 8 بوصة. في ظل زخم "الخطة الخمسية الرابعة عشرة" للصين، دخل إنتاج ركائز SiC مقاس 8 بوصات محليًا أيضًا مرحلة التصنيع، حيث أعلنت شركات مثل TankeBlue وSICC وJingsheng Mechanical & Electrical على التوالي عن توريد دفعة من ركائز SiC مقاس 8 بوصات [5].

في الوقت الحاضر، يظل SiC مقاس 6-بوصة هو الاتجاه التجاري العالمي السائد، بينما تتسارع المنتجات مقاس 8 بوصة نحو التصنيع. تمثل الإنجازات المركزة في مجال SiC مقاس 12 بوصة نقطة تحول حاسمة بالنسبة لصناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث. حققت الشركات المحلية بما في ذلك SICC، وJingsheng Mechanical & Electrical، وJingyue Semiconductor، وTiancheng Semiconductor، وKeyou Semiconductor، وHoshine Silicon، وNansha Jingyuan، وGlobalWafers، وShuoke Crystal، وكذلك Wolfspeed ومقرها الولايات المتحدة، تقدمًا كبيرًا في تطوير بلورات وركائز مفردة من SiC مقاس 12 بوصة.

2. طرق تحضير بلورات كربيد السيليكون المفردة

في الوقت الحالي، الطرق الثلاث الرئيسية القادرة على إنتاج بلورات مفردة-من SiC عالية الجودة هي طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT)، وطريقة -ترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HTCVD)، وطريقة -نمو المحلول المصنف أعلى (TSSG).

طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT).

في عام 1955، استخدم ليلي لأول مرة طريقة التسامي لتنمية بلورات مفردة من كربيد السيليكون. ومع ذلك، كان لهذه الطريقة العديد من العيوب المتأصلة: درجات حرارة النمو المرتفعة للغاية، وصعوبة التحكم الدقيق في النواة، وانخفاض كفاءة النمو، والتشتت الواسع للمعلمات الكهربائية في البلورات الناتجة، وأحجام البلورات الصغيرة بشكل عام. ونتيجة لذلك، كانت جودة بلورات SiC التي تنتجها طريقة ليلي سيئة، في حين ظلت التكاليف مرتفعة. لم يتم التغلب على هذا التحدي التقني حتى عام 1978، عندما أدخل تايروف وزملاؤه بلورة البذور في عملية النمو بناءً على طريقة ليلي التقليدية، مما أتاح التحكم الفعال في النواة وتقليل درجة حرارة النمو. وأصبحت هذه الطريقة تعرف بطريقة ليلي المعدلة، أي طريقة نقل البخار الفيزيائي [6-9].

تتميز طريقة PVT بتكنولوجيا ناضجة وإمكانية تحكم قوية، وهي حاليًا الطريقة الأساسية لإنتاج -جودة عالية وكبيرة-SiC. في هذه الطريقة، يتم وضع مسحوق SiC في الجزء السفلي من بوتقة الجرافيت، ويتم وضع بلورة بذور SiC في الأعلى. يتم تسخين بوتقة الجرافيت إلى درجة حرارة التسامي لـ SiC، مما يتسبب في تحلل المسحوق إلى أنواع غازية مثل بخار Si، وSi₂C، وSiC₂. مدفوعة بتدرج درجة الحرارة المحوري، تتسامى هذه الأنواع إلى أعلى البوتقة وتتكثف على سطح بذرة كربيد السيليكون، وتتبلور إلى بلورات مفردة من كربيد السيليكون [6]. يمكن لهذه الطريقة أن تنتج -حجمًا كبيرًا-وكثافة عالية-من SiC وهي مناسبة للإنتاج الصناعي-على نطاق واسع، ولكن تشمل عيوبها معدلات نمو بطيئة والحاجة إلى معدات كبيرة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج.

بالنسبة لعملية نمو PVT، تؤثر العديد من العوامل على نمو بلورات SiC، بما في ذلك درجة الحرارة، وتدرج درجة الحرارة، وضغط البوتقة، والمسافة بين البذرة والمسحوق متعدد البلورات، ونقاء المسحوق.

1.1 تخليق مسحوق كربيد السيليكون

يؤثر مسحوق SiC، باعتباره المادة الخام لتصنيع البلورات المفردة وتنميتها، بشكل مباشر على الجودة والخصائص الكهروكيميائية للبلورات المزروعة. يعد تقليل الفصل التركيبي أثناء النمو، وخفض محتوى الشوائب، وتحسين أداء النقل من الأهداف المهمة في تحضير المسحوق والمعالجة المسبقة [8].

يجب أن يلبي مسحوق SiC المستخدم في زراعة البلورات المفردة متطلبات نقاء عالية جدًا، مع محتوى شوائب أقل من 0.001% بشكل مثالي. هناك العديد من الطرق لتحضير مسحوق SiC، والتي يمكن تصنيفها حسب الحالة الأولية للمواد الخام إلى طرق الطور - الصلبة، والطور - السائل، والطور الغازي -. تشتمل طرق الطور الصلب- بشكل رئيسي على الاختزال الحراري الكربوهري، والسحق الميكانيكي، والنشر الذاتي-التوليف عالي الحرارة-؛ تتضمن طرق الطور-السائلة تحلل المحلول-الهلام والبوليمر؛ تتضمن طرق الطور الغازي-ترسيب البخار الكيميائي وطرق البلازما. ومن بين هذه الطرق، يمكن لطرق الطور الغازي- الحصول على مسحوق SiC عالي النقاء- من خلال التحكم في مستويات الشوائب في مصادر الغاز؛ من بين طرق الطور-السائل، يمكن فقط لطريقة المحلول-الهلامي إنتاج مسحوق يلبي متطلبات النقاء لنمو البلورة-الفردية؛ من بين طرق الطور الصلب-، تعد طريقة التوليف ذاتي -المحسنة ذات درجة الحرارة العالية- حاليًا هي العملية الأكثر استخدامًا ونضجًا لتحضير مسحوق SiC [2،8].

1.2 بوتقة

يؤثر الهيكل الداخلي للبوتقة بشكل مباشر على حجم ونوعية بلورات SiC المفردة المزروعة؛ تعد منطقة النمو المحدودة داخل البوتقة عاملاً مهمًا يحد من توسيع القطر [7]. بالإضافة إلى ذلك، قد تُدخل البوتقات شوائب معدنية بسبب نقاء المادة وعوامل التصنيع. عند وجود مثل هذه الشوائب، فإنها تسبب تسخينًا غير متساوٍ للبوتقة، مما يؤثر على توزيع مجال درجة الحرارة داخل الفرن وبالتالي جودة البلورة. لتجنب ذلك، يجب أن تخضع البوتقة لمعالجة التنقية [2].

1.3 كريستال البذور

بالنسبة لبلورات SiC، تظهر اتجاهات النمو المختلفة معدلات نمو مختلفة. لا يؤثر اختيار وترتيب سطح النمو على جودة البلورة فحسب، بل يؤثر أيضًا على حجم البلورة. يؤثر شكل وبنية سطح البذرة بشكل مباشر على عدد الأنابيب الدقيقة والعيوب الموجودة في البلورة. للحصول على بلورات مفردة كبيرة الحجم-، تعد بلورة البذور الكبيرة شرطًا أساسيًا. يتم تحقيق التصاق البذور بشكل عام باستخدام المواد اللاصقة. عادة، يتم إذابة راتنج الفينول المعدل في أسيتوسيتات الإيثيل لتشكيل مادة لاصقة، والتي يتم تطبيقها بالتساوي على الجزء الخلفي من بذرة SiC والسطح السفلي لغطاء البوتقة. يتم الضغط على سطح البذور لطرد الفقاعات والمواد اللاصقة الزائدة. يتم بعد ذلك وضع الغطاء في فرن للتسخين ويتم الاحتفاظ به لمدة ساعتين، يليه تفحيم المادة اللاصقة في جو الأرجون. يجب توخي الحذر لضمان ضغط موحد أثناء الترابط لتجنب تشقق البذور بسبب الإجهاد غير المتساوي [2].

1.4 معلمات النمو

تؤثر إعدادات درجة الحرارة، والضغط، وتدرج درجة الحرارة، وإمدادات الغاز، والمعلمات الأخرى أثناء نمو بلورة SiC الفردية- بشكل مباشر على التوحيد والبلورة وخصائص العيوب للبلورات المترسبة. لقد كان البحث وتصميم معلمات النمو البلوري دائمًا محور التركيز الرئيسي. تتضمن عمليات نمو البلورات بشكل أساسي التحكم في درجة الحرارة والضغط. يشمل نمو بلورات SiC نقل الحرارة ونقل الكتلة والتفاعلات الكيميائية. يحدد توزيع مجال درجة الحرارة داخل الفرن إلى حد كبير جودة ومعدل نمو بلورات SiC المفردة. يعد الفهم الدقيق لمجال درجة الحرارة وعمليات نقل البخار أمرًا بالغ الأهمية للحصول على بلورات عالية الجودة-وكبيرة الحجم-[7].

أهم-طريقة نمو الحلول المصنفة (TSSG).

تعمل طريقة TSSG، والمعروفة أيضًا باسم طريقة-الطور السائل، على إنتاج بلورات مفردة من SiC بمعدل أبطأ، ولكن البلورات المنتجة تتميز بدرجة عالية من الكمال الهيكلي. يتكون جهاز TSSG من ملف تحريضي، وعزل جرافيت، وبوتقة جرافيت، وذوبان Si، وبلورة بذور SiC، وقضيب سحب. يتم استخدام بوتقة الجرافيت لأنها -مقاومة للحرارة والتآكل-، وتعمل كحاوية لمصهور Si، كما أنها توفر مصدر الكربون لنمو البلورات. يتم وضع مادة السيليكون الخام والمنشطات في بوتقة الجرافيت. نظرًا لأن درجة الحرارة عند جدار البوتقة مرتفعة بينما تكون درجة الحرارة عند قضيب البذرة منخفضة، فإن الكربون يذوب من بوتقة الجرافيت ويتحد مع السيليكون المذاب في البذرة، مكونًا بلورات SiC. بالمقارنة مع طريقة PVT، توفر طريقة الطور السائل- مزايا مثل انخفاض كثافة الخلع وتوسيع القطر بشكل أسهل والقدرة على الحصول على بلورات من النوع p-. ومع ذلك، لا تزال هناك قضايا تتعلق بالتحكم في محتوى الشوائب واختيار العناصر الانتقالية.

نظرًا لأن جوهر طريقة TSSG هو إذابة وإعادة بلورة الكربون في مصهور السيليكون، فإن تعزيز قابلية ذوبان الكربون في محلول Si يعد أمرًا أساسيًا لنجاح نمو بلورة SiC الفردية-. ومع ذلك، فإن قابلية ذوبان الكربون في السيليكون منخفضة للغاية، حوالي 13% فقط حتى عند درجة الحرارة المحيطة بـ 3037 كلفن. علاوة على ذلك، يتبخر السيليكون مباشرة فوق 2273 كلفن، لذلك يجب إضافة عناصر أرضية انتقالية أو نادرة أخرى - إلى محلول Si لزيادة قابلية ذوبان الكربون. ولذلك، اختيار المذيب المناسب هو الخطوة الأكثر أهمية لنجاح نمو بلورات SiC بواسطة طريقة TSSG. هناك تركيز بحثي رئيسي آخر وهو التحكم في العمليات الحركية أثناء النمو. بالإضافة إلى ذلك، يعد تضمين المذيبات والتحكم في الأنواع المتعددة من القضايا المهمة في نمو المحلول [5،10].

-طريقة ترسيب البخار الكيميائي بدرجة الحرارة العالية (HTCVD).

يتكون مفاعل HTCVD من بوتقة جرافيت مع بلورة بذرة موضوعة في الأعلى، وعزل خارجي، وتسخين حثي. المواد الخام عبارة عن مركبات تحتوي على السيليكون الغازي- والكربون- مثل SiH₄ وSiCl₄ وC₃H₈ وC₂H₂. من خلال التحكم في درجة الحرارة والضغط داخل المفاعل، ينمو كربيد السيليكون على البذور عند درجات حرارة تتراوح بين 2200 درجة -2500 درجة. بالمقارنة مع طريقة PVT، فإن طريقة HTCVD توفر مزايا مثل النقاء العالي والتحكم المريح في نسبة C/Si والإمداد المستمر للمواد المصدر. وتتمثل عيوبه في أن مصادر السيليكون والكربون تأتي من الغازات، كما أن درجة حرارة النمو المرتفعة تؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة وتكاليف الإنتاج [2-3].

3. اتجاهات تطوير بلورات كربيد السيليكون المفردة

وبالنظر إلى المستقبل، ستستمر تقنية إعداد البلورة-SiC الفردية-عالية الجودة في الترقية في أربعة اتجاهات رئيسية: الحجم-الكبير، والجودة-العالية، والتكلفة المنخفضة-، والذكاء [11]:

حجم كبير-.: لقد توسع قطر بلورات SiC المفردة من المقياس المليمتري المبكر -إلى المقياس الحالي 6-بوصة، و8-بوصة، وحتى 12 بوصة وما بعدها. يمكن أن يؤدي إعداد الكريستال كبير الحجم إلى تحسين كفاءة الإنتاج بشكل كبير، وتقليل تكاليف تصنيع الوحدة، وتلبية احتياجات الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة بشكل أفضل.

جودة عالية-.: تعتبر ركائز SiC-عالية الجودة الأساس الأساسي للأجهزة الموثوقة عالية الأداء-. على الرغم من تحسن جودة بلورة SiC الفردية- بشكل كبير، إلا أن العيوب البلورية مثل الأنابيب الدقيقة، والاضطرابات، والشوائب تظل منتشرة على نطاق واسع، مما يؤثر بشكل مباشر على أداء الجهاز وموثوقيته على المدى الطويل-. وسوف تركز الجهود المستقبلية على الإنجازات المستمرة في السيطرة على العيوب.

تكلفة منخفضة-.: حاليًا، التكلفة المرتفعة نسبيًا لإعداد بلورة SiC الفردية-تحد من تطبيقها على نطاق واسع-في المزيد من السيناريوهات. يمكن تحقيق تخفيضات في التكاليف في المستقبل من خلال تحسين عمليات نمو البلورات، وتحسين الإنتاجية وكفاءة الإنتاج، وتقليل تكاليف المواد الخام والمواد الاستهلاكية في جميع أنحاء سلسلة الصناعة.

ذكي: بفضل الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة والتقنيات الأخرى، ستصبح عملية نمو بلورات SiC أكثر ذكاءً تدريجيًا. من خلال نشر-أجهزة الاستشعار المضمنة وأنظمة التحكم الآلية، يمكن تحقيق المراقبة-في الوقت الفعلي والتنظيم الدقيق لعملية النمو بأكملها، مما يؤدي إلى تحسين استقرار العملية واتساقها. ومع تحليل البيانات-الضخمة، يمكن تحسين معلمات النمو بشكل متكرر لزيادة تحسين جودة الكريستال وكفاءة الإنتاج.