استهل

تشمل سلسلة صناعة كربيد السيليكون مراحل متعددة، بدءًا من مسحوق كربيد السيليكون، مرورًا بسبائك كربيد السيليكون، ووصولًا إلى ركائز كربيد السيليكون، وطبقات كربيد السيليكون المترسبة، ورقائق كربيد السيليكون، وشرائح كربيد السيليكون، وانتهاءً بتغليف أجهزة كربيد السيليكون. وتُعدّ الركائز، والرقائق المترسبة، والرقائق، وتغليف الأجهزة واختبارها، أهم أربع مراحل في سلسلة قيمة كربيد السيليكون. تمثل تكلفة الركائز 50% من التكلفة الإجمالية لأجهزة كربيد السيليكون، بينما تبلغ تكاليف الطبقات المترسبة، والرقائق، واختبار التغليف 25%، و20%، و5% على التوالي. وتُعد موثوقية مواد كربيد السيليكون ذات أهمية بالغة لأداء الجهاز النهائي. تعمل شركة "بيسيك سيميكوندكتور" على دراسة خصائص المواد وأسباب العيوب من جميع جوانب السلسلة الصناعية، وتتعاون مع الشركات في المراحل السابقة واللاحقة لتحسين موثوقية أجهزة طاقة كربيد السيليكون.

01

طريقة نمو وتحضير سبائك كربيد السيليكون

يوجد أكثر من 250 متصاوغًا لكربيد السيليكون، ويُعدّ متصاوغ 4H-SiC أحادي البلورة الأكثر استخدامًا في صناعة أشباه الموصلات الكهربائية. خلال عملية نمو بلورة كربيد السيليكون أحادية البلورة، تكون نافذة نمو بلورة 4H ضيقة، وتخضع عملية تصميم درجة الحرارة والضغط لمعايير صارمة. أي خلل في التحكم أثناء عملية النمو سيؤدي إلى ظهور بلورات كربيد السيليكون ذات بنى أخرى مثل 2H و3C و6H و15R.

الشكل 1: شروط توليد مختلف متصاوغات كربيد السيليكون

توجد في الصناعة ثلاث طرق لتحضير سبائك كربيد السيليكون أحادية البلورة: الترسيب الفيزيائي للبخار بالتسامي (PVT)، والترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HT-CVD)، والترسيب من المحلول (LPE). وتُعدّ طريقة الترسيب الفيزيائي للبخار بالتسامي (PVT) حاليًا الأكثر شيوعًا، حيث تُنتج حوالي 95% من سبائك كربيد السيليكون التجارية بهذه الطريقة. وتتلخص العملية في وضع مسحوق كربيد السيليكون في جهاز خاص وتسخينه. بعد ارتفاع درجة الحرارة إلى 2200-2500 درجة مئوية، يبدأ المسحوق بالتسامي. ولأن كربيد السيليكون لا يوجد في الحالة السائلة، وإنما في حالتي الغازية والصلبة فقط، فإن سطح السبيكة يتبلور بعد التسامي. يبلغ معدل نمو بلورة السيليكون الأحادية حوالي 300 ملم/ساعة، بينما يبلغ معدل نمو بلورة كربيد السيليكون الأحادية حوالي 400 ميكرومتر/ساعة، أي بفارق يقارب 800 ضعف. فعلى سبيل المثال، يتطلب تكوين سبيكة يتراوح حجمها بين خمسة وستة سنتيمترات نموًا مستمرًا وثابتًا لمدة تتراوح بين 200 و300 ساعة. ويتضح من ذلك أن معدل تحضير سبائك كربيد السيليكون بطيء للغاية، مما يجعلها باهظة الثمن.

02

عيوب في سبيكة بلورة أحادية من كربيد السيليكون ورقائق الركيزة

تحتوي كل من سبائك كربيد السيليكون ورقائق الركائز على مجموعة متنوعة من العيوب البلورية، مثل أخطاء التراص، والأنابيب الدقيقة، والانخلاعات اللولبية، والانخلاعات الحافية، وانخلاعات المستوى القاعدي، وغيرها. تؤثر هذه العيوب في سبائك كربيد السيليكون بشكل كبير على إنتاجية الجهاز النهائي، وهو موضوع بالغ الأهمية في سلسلة الصناعة. يبذل جميع مصنعي الركائز قصارى جهدهم لتقليل كثافة العيوب في سبائك كربيد السيليكون.

03

موثوقية ركيزة كربيد السيليكون

تُعدّ صفيحة الركيزة منتجًا يُحصل عليه بتقطيع سبيكة بلورية إلى شرائح رقيقة، ثم تنعيمها وتلميعها. تكتسب رقاقة الركيزة جودة سطح عالية بعد عملية التلميع، مما يُسهم في الحدّ من ظهور العيوب أثناء النموّ الطبقي، وبالتالي الحصول على رقائق طبقية عالية الجودة. تشمل جودة سطحها الاستواء، وخلوّها من الانخلاعات القريبة من السطح، والإجهاد المتبقي. وللحدّ من ظهور العيوب خلال المراحل الأولى من النموّ الطبقي، يجب أن يكون سطح الركيزة خاليًا من الإجهاد والانخلاعات القريبة من السطح. إذا لم تتم إزالة التلف المتبقي بالقرب من السطح بشكل كافٍ، فسيؤدي النموّ الطبقي على الركيزة إلى ظهور عيوب مرئية بالعين المجردة. لذلك، فإنّ مستوى جودة الركيزة يؤثر بشكل كبير على مستوى جودة مرحلة النموّ الطبقي اللاحقة.

04

نمو طبقة السيليكون كاربيد المتنامية وموثوقيتها

يشير مصطلح الترسيب الطبقي إلى تنمية طبقة من مادة أحادية البلورة من كربيد السيليكون 4H-SiC متجانسة مع الركيزة على سطحها العلوي. يحتوي كربيد السيليكون على العديد من المتماكبات. ولضمان تحضير مواد طبقية عالية الجودة، يلزم استخدام تقنية خاصة لتجنب ظهور أشكال بلورية أخرى. تعتمد العملية القياسية الحالية على استخدام ركائز أحادية البلورة من كربيد السيليكون 4H-SiC ذات قطع مشطوف بزاوية 4 درجات، واعتماد تقنية نمو متدرج مُتحكم به. وتُعد طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) هي العملية الأكثر شيوعًا حاليًا، حيث يُستخدم فرن طبقي أفقي ذو جدار ساخن، ويُستخدم غاز السيلان (SiH4) كغاز أولي للتفاعل.₄) والميثان (CH₄)، الإيثيلين (C₂H₄إلخ، واستخدام النيتروجين (N₂يُستخدم ثلاثي ميثيل الألومنيوم (TMA) كمصادر للشوائب. يتراوح نطاق درجة حرارة النمو النموذجي بين 1500 و1650 درجة مئوية، ومعدل النمو بين 5 و30 ميكرومتر/ساعة.

يُسهم نمو الطبقة فوق السطحية في التخلص من العديد من العيوب السطحية أو القريبة من السطح التي تنشأ أثناء نمو البلورات ومعالجة الرقاقات، مما يؤدي إلى ترتيب الشبكة البلورية بدقة وتحسين مورفولوجيا السطح بشكل كبير مقارنةً بالركيزة. وتُعدّ الطبقة فوق السطحية السميكة، والمورفولوجيا السطحية الجيدة، وانخفاض تركيز التطعيم عوامل مهمة لتحسين جهد الانهيار. تُستخدم هذه الرقاقات فوق السطحية في تصنيع أجهزة الطاقة، مما يُحسّن بشكل كبير استقرار المعلمات والإنتاجية.

الشكل 2: بنية طبقة الركيزة والطبقة فوق المحورية

05

العلاقة بين العيوب في رقائق السيليكون كاربيد المترسبة على طبقة رقيقة ورقائق الركيزة

كما ذُكر سابقًا، ترتبط العيوب في طبقة كربيد السيليكون المترسبة بالركيزة وعملية النمو. تشمل عيوب الطبقة المترسبة عيوب تضاريس السطح، وعيوب الأنابيب الدقيقة، والانخلاعات، وأنواعًا أخرى. تشمل عيوب مورفولوجيا السطح عيوب الجزر (من نوع المذنب في بعض الحالات)، والحفر الضحلة، والعيوب المثلثية، والأجسام المتساقطة؛ وتنتقل عيوب الأنابيب الدقيقة في الركيزة إلى الطبقة المترسبة. كثافة تيار الأنابيب الدقيقة في الركيزة أقل بكثير من 0.1/سم²²تم القضاء عليها بشكل أساسي. تنشأ معظم الانخلاعات في طبقة السيليكون كاربيد المترسبة من انخلاعات الركيزة، والتي تشمل بشكل رئيسي الانخلاعات السطحية (TSD) والانخلاعات الطرفية (TED) والانخلاعات ثنائية الأبعاد (BPD). تُعد العيوب الناتجة عن الترسيب الطبقي، مثل الانخلاعات العادية وعيوب الجزرة، من المشكلات المهمة التي تؤثر على جودة ترسيب السيليكون كاربيد.

06

تأثير عيوب رقاقة السيليكون كاربيد المترسبة على الجهاز النهائي

أثناء عملية النمو المتناحي، يتم تحويل حوالي 98٪ من TSD في الركيزة إلى TSD، ويتم تحويل الباقي إلى Frank SFs؛ يتم تحويل TED بنسبة 100٪ إلى TED؛ يتم تحويل حوالي 95٪ من BPD إلى TED، ويتم الاحتفاظ بكمية صغيرة على شكل BPD.

الشكل 3: العلاقة بين عيوب رقاقة السيليكون كاربيد المترسبة وعيوب رقاقة الركيزة

لا تؤثر عيوب TSD وTED بشكل أساسي على أداء جهاز كربيد السيليكون النهائي، بينما قد تتسبب عيوب BPD في تدهور أداء الجهاز، لذا يُولى اهتمام أكبر لها. تُعد عيوب التراص، وعيوب الجزرة، وعيوب المثلث، والأجسام المتساقطة، وغيرها من العيوب، عيوبًا قاتلة. فبمجرد ظهورها في الجهاز، سيفشل في الاختبار، مما يؤدي إلى انخفاض الإنتاجية. وتُعد الأجهزة ثنائية القطب، مثل الترانزستورات الثلاثية وIGBTs، أكثر حساسية لعيوب BPD.

الجدول 1: تأثير عيوب رقاقة الترسيب الطبقي على الجهاز النهائي

07

هناك تحديان يواجهان مواد كربيد السيليكون

من أهم التحديات التي تواجه الترويج لمواد كربيد السيليكون ارتفاع سعرها، حيث يفوق سعر الركيزة سعر ركائز السيليكون والياقوت بكثير. يبلغ قطر ركيزة كربيد السيليكون السائد حاليًا من 4 إلى 6 بوصات فقط، وهناك حاجة إلى تقنيات نمو أكثر نضجًا لتوسيع حجمها وخفض سعرها. 

من جهة أخرى، تبلغ كثافة الانخلاعات في كربيد السيليكون حوالي 102²-104⁴، وهي أعلى بكثير من كثافة الانخلاعات في السيليكون، وأرسينيد الغاليوم، ومواد أخرى. إضافةً إلى ذلك، يتميز كربيد السيليكون بإجهاد عالٍ، مما قد يُسبب مشاكل في خصائص السطح. لذا، يُعد تحسين جودة ركائز كربيد السيليكون وسيلةً مهمةً لتحسين جودة المواد المُرَسَّبة، وزيادة إنتاجية تصنيع الأجهزة، وموثوقيتها، وعمرها الافتراضي.

تنويه: هذه المقالة مُعاد نشرها من مجلة "أشباه الموصلات الأساسية"، التي تدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم المؤلف. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن