ما هي العوائق التقنية أمام كربيد السيليكون؟

يتمثل الجيل الأول من المواد شبه الموصلة في السيليكون التقليدي (Si) والجرمانيوم (Ge)، وهما أساس تصنيع الدوائر المتكاملة. يتم استخدامها على نطاق واسع في الترانزستورات والكاشفات ذات الجهد المنخفض والتردد المنخفض والطاقة المنخفضة. أكثر من 90% من منتجات أشباه الموصلات مصنوعة من مواد أساسها السيليكون؛
يتم تمثيل مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني بواسطة زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وفوسفيد الإنديوم (InP)، وفوسفيد الغاليوم (GaP). بالمقارنة مع الأجهزة القائمة على السيليكون، فهي تتمتع بخصائص إلكترونية ضوئية عالية التردد وعالية السرعة وتستخدم على نطاق واسع في مجالات الإلكترونيات الضوئية والإلكترونيات الدقيقة. ;
يتم تمثيل الجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات بمواد ناشئة مثل كربيد السيليكون (SiC)، ونيتريد الغاليوم (GaN)، وأكسيد الزنك (ZnO)، والماس (C)، ونيتريد الألومنيوم (AlN).

كربيد السيليكونتعتبر مادة أساسية مهمة لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث. يمكن لأجهزة الطاقة من كربيد السيليكون أن تلبي بشكل فعال متطلبات الكفاءة العالية والتصغير والوزن الخفيف لأنظمة الطاقة الإلكترونية من خلال مقاومتها الممتازة للجهد العالي ومقاومة درجات الحرارة العالية والخسارة المنخفضة وغيرها من الخصائص.

بسبب خصائصه الفيزيائية المتفوقة: فجوة النطاق العالية (المقابلة للمجال الكهربائي العالي الانهيار وكثافة الطاقة العالية)، الموصلية الكهربائية العالية، والموصلية الحرارية العالية، فمن المتوقع أن تصبح المادة الأساسية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لصنع رقائق أشباه الموصلات في المستقبل. . وخاصة في مجالات مركبات الطاقة الجديدة، وتوليد الطاقة الكهروضوئية، والنقل بالسكك الحديدية، والشبكات الذكية وغيرها من المجالات، ولها مزايا واضحة.

تنقسم عملية إنتاج SiC إلى ثلاث خطوات رئيسية: نمو بلورة SiC الفردية، ونمو الطبقة الفوقية، وتصنيع الأجهزة، والتي تتوافق مع الروابط الأربعة الرئيسية للسلسلة الصناعية:الركيزة, نفوقوالأجهزة والوحدات.

تستخدم الطريقة السائدة لتصنيع الركائز أولاً طريقة التسامي بالبخار الفيزيائي لتسامي المسحوق في بيئة فراغية ذات درجة حرارة عالية، وتنمية بلورات كربيد السيليكون على سطح بلورة البذور من خلال التحكم في مجال درجة الحرارة. باستخدام رقاقة كربيد السيليكون كركيزة، يتم استخدام ترسيب البخار الكيميائي لترسيب طبقة من البلورة المفردة على الرقاقة لتشكيل رقاقة فوقي. من بينها، يمكن تحويل طبقة الفوقي من كربيد السيليكون على ركيزة موصلة من كربيد السيليكون إلى أجهزة طاقة، والتي تستخدم بشكل رئيسي في السيارات الكهربائية والخلايا الكهروضوئية وغيرها من المجالات؛ زراعة طبقة فوقية من نيتريد الغاليوم على طبقة شبه عازلةالركيزة كربيد السيليكونيمكن تصنيعها أيضًا في أجهزة الترددات الراديوية المستخدمة في اتصالات 5G وغيرها من المجالات.

في الوقت الحالي، تتمتع ركائز كربيد السيليكون بأعلى العوائق التقنية في سلسلة صناعة كربيد السيليكون، وركائز كربيد السيليكون هي الأكثر صعوبة في الإنتاج.

لم يتم حل عنق الزجاجة في إنتاج SiC بالكامل، كما أن جودة أعمدة كريستال المواد الخام غير مستقرة وهناك مشكلة في الإنتاجية، مما يؤدي إلى ارتفاع تكلفة أجهزة SiC. يستغرق الأمر 3 أيام فقط في المتوسط ​​لتنمو مادة السيليكون لتصبح قضيبًا بلوريًا، لكن الأمر يستغرق أسبوعًا لقضيب بلوري من كربيد السيليكون. يمكن أن يصل طول قضيب كريستال السيليكون العام إلى 200 سم، بينما يمكن أن يصل طول قضيب كريستال كربيد السيليكون إلى 2 سم فقط. علاوة على ذلك، فإن SiC نفسها عبارة عن مادة صلبة وهشة، والرقائق المصنوعة منها تكون عرضة لتقطيع الحواف عند استخدام قطع الرقاقات الميكانيكية التقليدية، مما يؤثر على إنتاجية المنتج وموثوقيته. تختلف ركائز SiC كثيرًا عن سبائك السيليكون التقليدية، وكل شيء بدءًا من المعدات والعمليات والمعالجة وحتى القطع يحتاج إلى تطوير للتعامل مع كربيد السيليكون.

تنقسم سلسلة صناعة كربيد السيليكون بشكل أساسي إلى أربع روابط رئيسية: الركيزة، والفوقية، والأجهزة والتطبيقات. المواد الأساسية هي أساس سلسلة الصناعة، والمواد الفوقية هي المفتاح لتصنيع الأجهزة، والأجهزة هي جوهر سلسلة الصناعة، والتطبيقات هي القوة الدافعة للتنمية الصناعية. تستخدم الصناعة الأولية المواد الخام لصنع المواد الأساسية من خلال طرق التسامي بالبخار الفيزيائي وطرق أخرى، ثم تستخدم طرق ترسيب البخار الكيميائي وطرق أخرى لتنمية المواد الفوقي. تستخدم صناعة منتصف الطريق المواد الأولية لصنع أجهزة الترددات الراديوية وأجهزة الطاقة وغيرها من الأجهزة، والتي تستخدم في النهاية في اتصالات 5G النهائية. والمركبات الكهربائية والنقل بالسكك الحديدية وما إلى ذلك. من بينها، تمثل الركيزة والطبقة 60٪ من تكلفة سلسلة الصناعة وهي القيمة الرئيسية لسلسلة الصناعة.

ركيزة SiC: عادة ما يتم تصنيع بلورات SiC باستخدام طريقة Lely. تنتقل المنتجات العالمية السائدة من 4 بوصات إلى 6 بوصات، وقد تم تطوير منتجات الركيزة الموصلة مقاس 8 بوصات. الركائز المحلية هي في الأساس 4 بوصات. نظرًا لأنه يمكن ترقية خطوط إنتاج رقائق السيليكون الحالية مقاس 6 بوصات وتحويلها لإنتاج أجهزة SiC، فسيتم الحفاظ على الحصة السوقية العالية لركائز SiC مقاس 6 بوصات لفترة طويلة.

عملية الركيزة كربيد السيليكون معقدة ويصعب إنتاجها. ركيزة كربيد السيليكون عبارة عن مادة بلورية أحادية مركبة من أشباه الموصلات تتكون من عنصرين: الكربون والسيليكون. في الوقت الحاضر، تستخدم الصناعة بشكل رئيسي مسحوق الكربون عالي النقاء ومسحوق السيليكون عالي النقاء كمواد خام لتجميع مسحوق كربيد السيليكون. تحت مجال درجة حرارة خاصة، يتم استخدام طريقة نقل البخار الفيزيائي الناضج (طريقة PVT) لتنمية كربيد السيليكون بأحجام مختلفة في فرن النمو البلوري. تتم أخيرًا معالجة السبيكة البلورية، وقطعها، وطحنها، وصقلها، وتنظيفها وغيرها من العمليات المتعددة لإنتاج ركيزة كربيد السيليكون.