متقبل الجرافيت المطلي بـ SiC: دليل كامل
بقلم لوسي تشانغ (المبيعات) @ شركة Semicera Semiconductor Technology Co., Ltd.
إن ركيزة الجرافيت المطلية بـ SiC هي أحد مكونات أشباه الموصلات المستخدمة لدعم وتسخين الركائز أحادية البلورة في معدات MOCVD (ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني). كما يوحي الاسم، يتكون هذا المكون من جزأين: ركيزة من الجرافيت وطلاء من كربيد السيليكون. وسوف نقوم الآن بدراسة الأمر خطوة بخطوة.
ما هي قاعدة الجرافيت؟
تظهر القاعدة، والمعروفة أيضًا باسم "الدرج"، في الشكل 1. وهي بمثابة العنصر الأساسي الحامل لدرجة الحرارة العالية أو مكون التسخين في تصنيع أشباه الموصلات. 
ميزات الأداء:
قاعدة قاعدة الجرافيت هي الجرافيت المتوازن عالي النقاء. (الشكل 2)
يتميز الجرافيت بنقاء 5N-6N مع محتوى منخفض من الرماد، مما يعني أنه عالي النقاء ومنخفض الشوائب. وهو متناحٍ، مع معامل تمدد حراري ثابت تقريبًا في جميع الاتجاهات. وهذا يضمن الحد الأدنى من التشوه وعدم التشقق أثناء التسخين أو التبريد في درجات حرارة عالية. كما أنه يتطابق بشكل جيد مع طلاء كربيد السيليكون الذي تم تقديمه لاحقًا، مما يمنع تقشير الطلاء الناتج عن التمدد غير المتطابق.
على الرغم من أن بنية الجرافيت كثيفة وذات مسامية منخفضة، إلا أنها لا تزال تحتوي على مسام صغيرة. يمكن للغازات أن تخترق هذه المسام، مما يؤثر على جودة المنتج. يميل الجرافيت أيضًا إلى توليد الغبار الذي يلوث الرقائق.
يمكن للجرافيت أن يتحمل درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية في البيئات غير المؤكسدة، لكنه كذلك غير مقاومة للتآكل بواسطة NH₃، HCl، وما إلى ذلك . وفي وجود الأكسجين، فإنه يتأكسد ويتآكل عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى انكماش الأبعاد.
باختصار، في البيئات المؤكسدة التي تتطلب عمر خدمة طويل ومقاومة للتآكل، فإن مستقبلات الجرافيت النقي لها عيوب أكثر من المزايا. ولذلك، هناك حاجة إلى طلاء للتغلب على نقاط الضعف هذه.
هناك أنواع عديدة من الطلاءات، كل منها يخدم أغراض مختلفة. فيما بينها، يوفر طلاء كربيد السيليكون (SiC) أفضل أداء عام وفعالية من حيث التكلفة ، لأنه يوفر في الوقت نفسه مقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، والمطابقة الحرارية الجيدة، وحماية عالية النقاء، والتوصيل الحراري العالي، والكثافة العالية.
لماذا تختار طلاء كربيد السيليكون؟
نقدم الآن مقدمة تفصيلية لطلاء كربيد السيليكون، لفهم سبب أهميته بشكل أفضل.
طلاء سيك:
إنه طلاء β-SiC متعدد البلورات كثيف وعالي النقاء، مصنوع بواسطة طريقة CVD (ترسيب البخار الكيميائي) على سطح الجرافيت الخواص المتناحية عالي النقاء. إنها تتميز بميزات رئيسية مثل مقاومة الأكسدة، مقاومة التآكل، مقاومة التآكل، الكثافة العالية، مقاومة درجات الحرارة العالية، التوصيل الحراري العالي والنقاء العالي للغاية. إنه الحل الوقائي القياسي لمستقبلات الجرافيت في عمليات تنضيد أشباه الموصلات من الجيل الثالث.
الخصائص الرئيسية:
مقاومة الأكسدة: يبقى ثابتًا عند درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية في البيئات التي تحتوي على الأكسجين، ويتأكسد بشكل أبطأ بكثير من الجرافيت النقي. في درجات الحرارة المرتفعة، لا يفقد وزنه أو ينكمش بسبب الأكسدة أو التغيرات الهيكلية، مما يطيل عمر خدمة المستقبِل بشكل كبير.
ارتداء المقاومة : يتمتع SiC بصلابة عالية تبلغ HV 2800-3300. سطحه كثيف وناعم مثل المرآة، مما يمنع الغبار تمامًا من السقوط من الجرافيت، ويمنع تلوث الجسيمات، ويحسن إنتاج الرقائق الفوقي بشكل كبير.
مقاومة التآكل: في البيئات الفوقية ذات درجة الحرارة العالية، يمكنه مقاومة الغازات المسببة للتآكل بشكل ثابت مثل مصادر NH₃ وHCl وMO (مثل TMGA وTMAl). وهو مستقر كيميائيا، مع عدم وجود تفاعل أو انحلال أو تآكل.
كثافة : طلاء SiC المصنوع بواسطة CVD كثيف ومستمر، مع عدم وجود مسام أو ثقوب مرئية. إنه يغطي ويغلق ركيزة الجرافيت بشكل كامل، ويمنع غازات المعالجة من التسرب والشوائب من الانتشار، ويمنع بشكل أساسي تلوث الرقائق.
مقاومة درجات الحرارة العالية: يمكنه العمل بثبات لفترة طويلة عند درجة حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية (في البيئات التي تحتوي على الأكسجين) وأكثر من 1800 درجة مئوية (في بيئات الغاز الخامل). في درجات الحرارة المرتفعة، لا يلين ولا يتحلل ولا يغير هيكله.
الموصلية الحرارية : يتمتع SiC بموصلية حرارية تبلغ 120-150 واط/(م·ك). يمكنها نقل الحرارة بسرعة وبشكل متساوٍ، مما يضمن أن تكون درجة الحرارة على سطح الرقاقة موحدة.
يحتوي طلاء SiC عالي النقاء على أقل من 1 جزء في المليون من إجمالي الشوائب المعدنية، وأقل من 1 جزء في المليار من العناصر المشعة مثل U وTh. في درجات الحرارة المرتفعة، لا يتم إطلاق أي شوائب ولا يحدث أي تلوث معدني، مما يلبي متطلبات النظافة الصارمة لطبقة أشباه الموصلات.
بالإضافة إلى ذلك، فإن معامل التمدد الحراري لـ SiC (4.5–5.0×10⁻⁶/C) قريب جدًا من معامل الجرافيت المتناحي الخواص عالي النقاء (4.0–6.0×10⁻⁶/C). وهذا يعني أن هناك ضغطًا قليلًا جدًا بين الطلاء والجرافيت أثناء دورات التسخين والتبريد المتكررة، لذلك لا يتشقق الطلاء أو يتقشر، ويتمتع بقدرة التصاق قوية. في ظل ظروف الإنتاج الضخم القياسية، يمكن لطلاء SiC إطالة عمر خدمة المستقبِل بمقدار 5-10 مرات، مما يقلل بشكل كبير من تكرار الاستبدال ووقت التوقف عن العمل، وتكون تكلفة استخدامه الإجمالية أقل بكثير من تكلفة مستقبِلات الجرافيت النقي.
لماذا من الضروري إضافة طبقة من كربيد السيليكون على ركيزة الجرافيت؟
لفهم الفرق في الأداء بشكل أفضل بين ركائز الجرافيت مع طلاء SiC و ركائز الجرافيت بدون طلاء SiC ، لقد قمنا بإدراج بعض البيانات الأساسية في جدول لإجراء مقارنة مباشرة وواضحة أكثر.
|
مؤشر الأداء |
مستقبل الجرافيت بدون طلاء SiC |
مستقبِل الجرافيت المطلي بـ SiC |
|
نقاء |
5N-6N، محتوى الرماد ≥5 جزء في المليون |
5N-6N، محتوى الرماد ≥1 جزء في المليون |
|
صلابة |
الجهد العالي 80-120 |
الجهد العالي 2800-3200 |
|
مقاومة درجات الحرارة العالية |
2000-2200 درجة مئوية في البيئات غير المؤكسدة؛ ≥800 درجة مئوية في البيئات المؤكسدة |
1200-1400 درجة مئوية في البيئات غير المؤكسدة؛ ≥1600 درجة مئوية في البيئات المؤكسدة، مستقرة بدون تحلل |
|
مقاومة الأكسدة |
فقير من السهل أن تتأكسد وتتقلص في البيئات المؤكسدة ذات درجة الحرارة العالية |
ممتاز لا فقدان الوزن الأكسدة أو انكماش الأبعاد أقل من 1600℃ |
|
مقاومة التآكل |
فقير من السهل أن تتآكل وتسحق بواسطة مصادر NH₃، HCl، MO، إلخ. |
ممتاز يقاوم بشكل ثابت الغازات القوية المسببة للتآكل مثل NH₃، HCl، TMGA، TMAl |
|
كثافة |
المسامية 5%-8%، نفاذية الغاز ≥1.2×10⁻⁸ سم²/ثانية |
المسامية .50.5%، نفاذية الغاز ≥5×10⁻¹² cm²/s، لا توجد مسام واضحة |
|
الموصلية الحرارية |
80-120 واط/(م·ك)، الفرق داخل الطائرة مقابل خارجها ≥20% |
120-150 واط/(م·ك)، الفرق داخل الطائرة مقابل خارجها ≥5% |
|
حالة السطح |
خشونة السطح Ra≥0.8μm، عرضة للغبار، بدون حماية |
خشونة السطح Ra<0.1μm، طلاء β-SiC المُجهز لـ CVD، بدون غبار |
|
خدمة الحياة |
3-6 أشهر الدورات الحرارية ≥50 مرة |
18-24 شهرا الدورات الحرارية ≥500 مرة |
عملية تصنيع طلاء كربيد السيليكون:
هناك طرق متعددة لتحضير طلاءات كربيد السيليكون، بما في ذلك طريقة سول جل والطلاء بالرش، والرش بالحزمة الأيونية، وتفاعل البخار الكيميائي (CVR)، وترسيب البخار الكيميائي (CVD). ومن بين هذه التقنيات، يعد ترسيب البخار الكيميائي (CVD) حاليًا هو الأسلوب السائد لإعداد طلاء SiC.
الأمراض القلبية الوعائية:
مبدأ :
يتم خلط مصدر غاز يحتوي على السيليكون (على سبيل المثال، ميثيل ثلاثي كلوروسيلان MTS، سيلان SiH₄) مع مصدر غاز يحتوي على كربون (على سبيل المثال، البروبان C₃H₈، الأسيتيلين C₂H₂) في نسبة محددة. يخضع الخليط للتحلل الحراري في مفاعل عالي الحرارة، مما يؤدي إلى التكوين الكيميائي لأغشية SiC على سطح الركيزة من خلال التفاعلات الكيميائية.
صفات:
1. الطلاء هو الأكثر كثافة، وخالي من الثقوب
2. قوة ربط عالية بالركيزة، وتسمح بالتحكم الدقيق في السماكة والنقاء.
3. إنها تمثل العملية السائدة الوحيدة لركائز أشباه الموصلات.
4. المعلمات النموذجية: درجة حرارة الترسيب 1100-1350 درجة مئوية، سمك الطلاء 5-20 ميكرومتر.
حالة السوق
حاليًا، تهيمن شركات من أوروبا وأمريكا واليابان على السوق العالمية لركائز الجرافيت المطلية بـ SiC، حيث تعد شركة SGL Carbon الألمانية وشركة Toyo Tanso اليابانية من رواد الصناعة الذين امتلكوا منذ فترة طويلة أسهمًا كبيرة في السوق العالمية. وتبرز هاتان الشركتان في قطاع الركائز الجرافيتية المطلية بطبقة كربيد السيليكون من فئة أشباه الموصلات نظرًا لتقنية طلاء CVD الناضجة ومزايا ركائز الجرافيت عالية النقاء، مع استخدام منتجاتهما على نطاق واسع في معدات MOCVD العالمية وعمليات تنقيح SiC. لقد اخترقت الصين الآن التكنولوجيا الأساسية لطلاءات SiC المتنامية بشكل موحد على ركائز الجرافيت، مع التحقق من جودتها من قبل العملاء المحليين والدوليين. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تمتلك قدرة تنافسية معينة في الأسعار، وتلبية متطلبات معدات MOCVD لركائز الجرافيت المطلية بـ SiC.
مستقبل الجرافيت المطلي بـ SiCera من Semicera
لقد كرست شركة Semicera أكثر من عقد من الزمن لتكنولوجيا طلاء كربيد السيليكون، وحققت نجاحًا ملحوظًا مع تقديم خدمات التخصيص حسب الطلب لتلبية الاحتياجات الشخصية. مع التقدم التكنولوجي المستمر، قدمنا نفس تكنولوجيا الطبقة العازلة مثل SGL. ومن خلال تقنيات المعالجة المتخصصة، تتم إضافة طبقة عازلة بين الجرافيت وكربيد السيليكون، مما يؤدي إلى إطالة عمر الخدمة أكثر من ثلاثة أضعاف.
