سلسلة صناعة كربيد السيليكون في بلدي!

كربيد السيليكون (SiC) هو الاتجاه الرئيسي لتطوير صناعة أشباه موصلات الطاقة، والذي يمكن أن يحسن بشكل كبير معدل استخدام الطاقة الكهربائية عند استخدامها لصنع أجهزة الطاقة. في المستقبل المنظور، ستكون مركبات الطاقة الجديدة هي سيناريوهات التطبيق الرئيسية لأجهزة الطاقة من كربيد السيليكون. باعتبارها رائدة في مجال التكنولوجيا، أخذت تيسلا زمام المبادرة في دمج جميع وحدات كربيد السيليكون في الطراز 3، كما تخطط شركات سيارات الخط الأول الأخرى أيضًا لتوسيع تطبيق كربيد السيليكون. مع انخفاض تكلفة تصنيع أجهزة كربيد السيليكون والنضج التدريجي للتكنولوجيا، يمكن توقع مستقبل صناعة أجهزة طاقة كربيد السيليكون. [ما هو كربيد السيليكون؟ كربيد السيليكون (SiC) هو الجيل الثالث من مادة أشباه الموصلات المركبة. حجر الزاوية في صناعة أشباه الموصلات هو الرقائق، وتنقسم المواد الأساسية لصنع الرقائق إلى مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول (ومعظمها من السيليكون عالي النقاء والذي يستخدم على نطاق واسع في الوقت الحاضر)، ومواد أشباه الموصلات المركبة من الجيل الثاني (زرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم). والجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات المركبة (كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم) وفقًا للعملية التاريخية. نظرًا لخصائصه الفيزيائية الفائقة: فجوة الحزمة العالية (المقابلة للمجال الكهربائي العالي الانهيار وكثافة الطاقة العالية)، والموصلية الكهربائية العالية والموصلية الحرارية العالية، سيكون كربيد السيليكون المادة الأساسية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لرقائق أشباه الموصلات في المستقبل. [الخصائص الفيزيائية والكيميائية لكربيد السيليكون]الشكل الرئيسي لكربيد السيليكون في رقائق أشباه الموصلات هو الركيزة. يمكن تقسيم رقائق أشباه الموصلات إلى دوائر متكاملة وأجهزة منفصلة، ولكن يمكن تقسيم البنية الأساسية لكل من الدوائر المتكاملة والأجهزة المنفصلة إلى بنية "الجهاز الفوقي الركيزة". الشكل الرئيسي لكربيد السيليكون في أشباه الموصلات هو كمادة ركيزة.رقاقة كربيد السيليكون عبارة عن صفيحة بلورية مفردة يتم تشكيلها عن طريق قطع وطحن وتلميع وتنظيف كريستال كربيد السيليكون. باعتبارها مادة ركيزة لأشباه الموصلات، يمكن تحويل رقاقة كربيد السيليكون إلى أجهزة طاقة تعتمد على كربيد السيليكون وأجهزة RF بالموجات الدقيقة من خلال النمو الفوقي وتصنيع الأجهزة، وهي مادة أساسية مهمة لتطوير صناعة أشباه الموصلات من الجيل الثالث. وفقا لاختلاف المقاومة، يمكن تقسيم رقائق كربيد السيليكون إلى نوع موصل ونوع شبه عازل. من بينها، تُستخدم رقائق كربيد السيليكون الموصلة بشكل أساسي لتصنيع أجهزة الطاقة ذات درجة الحرارة العالية والجهد العالي، مع نطاق سوقي كبير؛ يتم استخدام ركيزة كربيد السيليكون شبه العازلة بشكل رئيسي في أجهزة الترددات اللاسلكية للميكروويف وغيرها من المجالات. مع البناء المتسارع لشبكة اتصالات 5G، زاد الطلب في السوق بشكل واضح.[بحث في تكنولوجيا معالجة كربيد السيليكون] صلابة SiC تأتي في المرتبة الثانية بعد صلابة الماس، ويمكن استخدامها كمادة كاشطة لأدوات الطحن مثل عجلات الطحن. لذلك، تستخدم عجلات طحن الماس بشكل أساسي في الطحن والطحن والتلميع، ومن بينها عجلات طحن الماس تتمتع بأعلى كفاءة وهي وسيلة مهمة لمعالجة SiC. ومع ذلك، فإن مادة SiC لا تتميز فقط بخصائص الصلابة العالية، ولكن أيضًا هشاشتها العالية وصلابة الكسر المنخفضة تجعل من السهل التسبب في كسر هش للمادة في عملية الطحن، وبالتالي ترك طبقة سطحية مكسورة على سطح المادة، والتسبب في أضرار جسيمة للسطح وتحت السطح، مما يؤثر على دقة المعالجة. لذلك، من الأهمية بمكان إجراء دراسة عميقة لآلية الطحن والأضرار الموجودة تحت السطح لـ SiC لتحسين كفاءة الطحن وجودة السطح لـ SiC. 1. آلية طحن المواد الصلبة والهشة طحن المواد الصلبة والهشة، والمواد الكاشطة لها تأثير التدحرج أو القطع الدقيق عليها. عندما تعمل الجزيئات الكاشطة على السطح من خلال المطبات والشقوق، مع تقدم الطحن، يتم ضغط بعض الجزيئات الكاشطة في قطعة العمل تحت تأثير حمل الطحن، ويتم استخدام الطرف المكشوف لخدش سطح قطعة العمل للقطع الدقيق . يتدحرج الجزء الآخر من الحبوب الكاشطة بين قطعة العمل وقرص الطحن لإنتاج حركة تدحرج، مما يجعل سطح قطعة العمل يشكل شقوقًا صغيرة، ويمتد الشق ليشكل رقائق هشة على سطح قطعة العمل، وبالتالي تحقيق الغرض من السطح إزالة. نظرًا لأن قوة الشد للمواد الصلبة والهشة أقل من قوة الضغط، فعندما يتم تحميل الجزيئات الكاشطة، سيتم إنشاء شقوق صغيرة عند أقصى إجهاد شد على سطح المواد الصلبة والهشة. عندما تمتد الشقوق المتقاطعة وتتقاطع مع بعضها البعض، فإن الجزء المحاط بالشقوق سوف ينكسر وينهار إلى قطع صغيرة. هذه هي العملية الأساسية لتوليد الرقائق وتشكيل السطح عند طحن المواد الصلبة والهشة. بما أن كربيد السيليكون هو نوع من المواد الهشة ذات الصلابة العالية، فإن هناك حاجة إلى سائل طحن خاص. تكمن الصعوبة التقنية الرئيسية لطحن كربيد السيليكون في القياس الدقيق والتحكم في سمك ترقق المواد عالية الصلابة. بعد الطحن، سوف يتضرر سطح الرقاقة، ويحدث تشققات صغيرة وإجهاد متبقي، كما أن ترقق رقاقة كربيد السيليكون سوف يسبب انحرافًا أكبر من رقاقة كربيد السيليكون. 2. بحث حول معالجة صقل كربيد السيليكون. في الوقت الحاضر، تشمل طرق تلميع كربيد السيليكون بشكل أساسي التلميع الميكانيكي، والتلميع المغناطيسي، والتلميع الميكانيكي الكيميائي (CMP)، والتلميع الكهروكيميائي (ECMP)، والتلميع بمساعدة المحفز أو النقش بمساعدة المحفز (CACP / CARE)، والتلميع الكيميائي التجريبي (TCP). والتلميع بمساعدة البلازما (PAP). تعد تقنية التلميع الكيميائي (CMP) وسيلة مهمة لمعالجة أشباه الموصلات في الوقت الحاضر، وهي أيضًا التكنولوجيا الأكثر فعالية لمعالجة سطح السيليكون البلوري الأحادي إلى المستوى الذري. إنها التكنولوجيا العملية الوحيدة التي يمكنها تحقيق التخطيط المحلي والعالمي في عملية المعالجة. يتم تحديد كفاءة معالجة CMP بشكل أساسي من خلال معدل التفاعل الكيميائي على سطح قطعة العمل. من خلال دراسة تأثير معلمات العملية على معدل تلميع مواد كربيد السيليكون، أظهرت النتائج أن معدل الدوران وضغط التلميع لهما تأثير كبير؛ ودرجة الحرارة وقيمة الرقم الهيدروجيني لمحلول التلميع لهما تأثير ضئيل. من أجل تحسين معدل تلميع المواد، يجب زيادة سرعة الدوران قدر الإمكان. على الرغم من أن زيادة ضغط التلميع يمكن أن يؤدي أيضًا إلى تحسين معدل الإزالة، إلا أنه من السهل إتلاف وسادة التلميع. في الوقت الحاضر، تواجه طريقة تلميع كربيد السيليكون مشاكل انخفاض معدل إزالة المواد والتكلفة العالية، ولا يوجد طحن وتلميع كاشط، ومعالجة مساعدة تحفيزية وطرق معالجة أخرى. ونظرًا للظروف الصعبة والتشغيل المعقد للجهاز، فإنه لا يزال في المختبر، ومن غير المرجح أن يتم إنتاجه بكميات كبيرة. تم اكتشاف كربيد السيليكون لأول مرة في النيازك في عام 1905، والآن يأتي بشكل رئيسي من التوليف الاصطناعي. لكربيد السيليكون العديد من الاستخدامات، وصناعته واسعة النطاق. يمكن استخدامه كمواد معالجة هندسية للسيليكون أحادي البلورات والسيليكون متعدد البلورات وزرنيخيد البوتاسيوم وكريستال شي ينغ وما إلى ذلك وصناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وصناعة أشباه الموصلات وصناعة الكريستال الكهرضغطية. [تدفق عملية معالجة كربيد السيليكون] رقائق كربيد السيليكون مصنوعة من مسحوق السيليكون عالي النقاء ومسحوق الكربون عالي النقاء كمواد خام، ويتم زراعة بلورات كربيد السيليكون عن طريق نقل البخار الفيزيائي (PVT)، ثم معالجتها إلى رقائق كربيد السيليكون . ① تركيب المواد الخام. يتم خلط مسحوق السيليكون عالي النقاء ومسحوق الكربون عالي النقاء وفقًا لنسبة معينة، ويتم تصنيع جزيئات كربيد السيليكون عن طريق التفاعل عند درجة حرارة عالية تزيد عن 2,000 درجة مئوية. بعد التكسير والتنظيف والعمليات الأخرى، يتم تحضير مواد خام مسحوقة دقيقة من كربيد السيليكون عالية النقاء تلبي متطلبات نمو البلورات. ② نمو الكريستال. باستخدام مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء كمواد خام، تمت زراعة بلورة كربيد السيليكون عن طريق نقل البخار الفيزيائي (PVT) في فرن نمو بلوري مطور ذاتيًا. يظهر مبدأ النمو في الشكل التالي:يتم وضع المسحوق الدقيق من كربيد السيليكون عالي النقاء وبلورة البذور على التوالي في الجزء السفلي والأعلى من بوتقة الجرافيت الأسطوانية المختومة في فرن نمو بلوري واحد. يتم تسخين البوتقة إلى أكثر من 2,000 درجة مئوية عن طريق الحث الكهرومغناطيسي، وتكون درجة حرارة بلورة البذور أقل قليلاً من درجة حرارة المسحوق الدقيق السفلي، وبالتالي تشكيل تدرج درجة الحرارة المحورية في البوتقة. يتسامى المسحوق الصغير من كربيد السيليكون عند درجة حرارة عالية لتكوين مواد غازية مثل Si2C، وSiC2، وSi، وما إلى ذلك، مدفوعًا بتدرج درجة الحرارة، ويصل إلى بلورة البذور بدرجة حرارة منخفضة، ويتبلور عليها لتكوين سبيكة كربيد السيليكون الأسطوانية. . ③ معالجة السبائك. يتم توجيه سبيكة كربيد السيليكون التي تم الحصول عليها باستخدام موجه بلوري فردي بالأشعة السينية، ثم يتم طحنها بشكل مسطح ولفها، ومعالجتها إلى بلورة كربيد السيليكون بقطر قياسي. ④ قطع الكريستال. استخدم معدات القطع متعددة الأسلاك لتقطيع بلورة كربيد السيليكون إلى شرائح رفيعة لا يزيد سمكها عن 1 مم. ⑤ طحن الرقاقة. طحن الرقاقة إلى التسطيح والخشونة المطلوبة بواسطة سائل طحن الماس بأحجام مختلفة من الجسيمات. ⑥ تلميع الرقاقة. يتم الحصول على رقاقة تلميع من كربيد السيليكون بدون أي ضرر للسطح عن طريق التلميع الميكانيكي والتلميع الميكانيكي الكيميائي. ⑦ فحص الرقاقة. باستخدام المجهر الضوئي، ومقياس حيود الأشعة السينية، ومجهر القوة الذرية، واختبار مقاومة عدم الاتصال، واختبار تسطيح السطح، واختبار شامل لعيوب السطح وغيرها من الأدوات والمعدات، ومعلمات مختلفة مثل كثافة الأنابيب الدقيقة، وجودة الكريستال، وخشونة السطح، والمقاومة، والصفحة الملتوية، تم اكتشاف الانحناء وتغير السُمك والخدش السطحي لرقاقة كربيد السيليكون، وتم الحكم على درجة جودة الرقاقة وفقًا لذلك. ⑧ تنظيف الرقاقة. تنظيف لوح تلميع كربيد السيليكون باستخدام عامل التنظيف والماء النقي لإزالة الملوثات السطحية المتبقية مثل محلول التلميع على لوح التلميع، ثم نفخ الرقاقة وتدويرها بواسطة نيتروجين عالي النقاء ومجفف دوران؛ يتم تعبئة الرقاقة في صندوق بسكويت الويفر النظيف في غرفة نظيفة للغاية لتكوين رقاقة من كربيد السيليكون والتي يمكن فتحها واستخدامها على الفور. كلما زاد حجم الرقاقة، زادت صعوبة نمو ومعالجة البلورة المقابلة، بينما كلما زادت كفاءة تصنيع الأجهزة النهائية، انخفضت تكلفة الوحدة. في الوقت الحاضر، توفر الشركات المصنعة لرقائق كربيد السيليكون الدولية بشكل أساسي رقائق كربيد السيليكون مقاس 4 بوصة إلى 6 بوصة، وبدأت الشركات الدولية الرائدة مثل CREE وII-VI في الاستثمار في بناء خطوط إنتاج رقائق كربيد السيليكون مقاس 8 بوصة. [وضع صناعة كربيد السيليكون]01. يعتبر كربيد السيليكون (SiC) مادة مثالية للأجهزة عالية الطاقة. السيليكون هو المادة الأساسية للجيل الأول في صناعة أشباه الموصلات. في الوقت الحاضر، أكثر من 95% من مكونات الدوائر المتكاملة في العالم مصنوعة من السيليكون. في الوقت الحاضر، مع تطور السيارات الكهربائية وشبكات الجيل الخامس وغيرها من التطبيقات، يتزايد الطلب على الأجهزة عالية الطاقة والجهد العالي والتردد بسرعة. عندما يكون الجهد أكبر من 900 فولت، سيتم الكشف عن اللوحة القصيرة من MOSFET و IGBT القائمة على السيليكون، والتي ستكون محدودة في العديد من الجوانب مثل كفاءة التحويل وتردد التبديل ودرجة حرارة العمل. يستخدم كربيد السيليكون (SiC) على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية ذات درجات الحرارة العالية والجهد العالي والتردد العالي والطاقة العالية والفضاء الجوي وغيرها من البيئات القاسية بسبب فجوة النطاق الواسعة (3 مرات من Si) والتوصيل الحراري العالي (3.3 مرات من Si أو 10 مرات من GaAs) ومعدل هجرة تشبع الإلكترون العالي (2.5 مرة من Si) والحقل الكهربائي العالي (5 مرات من Si أو GaAs). يتم تصنيع كربيد السيليكون عن طريق صهر رمل الكوارتز وفحم الكوك البترولي (أو فحم الكوك) ونشارة الخشب (يلزم الملح عند إنتاج كربيد السيليكون الأخضر) والمواد الخام الأخرى في فرن المقاومة عند درجة حرارة عالية. 02. مزايا أجهزة أشباه موصلات الطاقة SiC إن أشباه الموصلات من الجيل الثالث، والمعروفة أيضًا باسم أشباه الموصلات واسعة النطاق بسبب بنيتها الفيزيائية، تتمثل بشكل أساسي في نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. تختلف خصائص أداء أشباه الموصلات الخاصة بها عن تلك الخاصة بالجيل الأول من السيليكون والجيل الثاني من زرنيخيد الغاليوم، مما يجعلها تتمتع بمزايا فجوة النطاق العالية، والتوصيل الحراري العالي، وقوة مجال الانهيار العالية ومعدل انجراف التشبع الإلكتروني العالي. وبالتالي القدرة على تطوير أجهزة مصغرة لأشباه موصلات الطاقة تكون أكثر ملاءمة للظروف القاسية مثل درجات الحرارة العالية والطاقة العالية والجهد العالي والتردد العالي ومقاومة الإشعاع، واختراق الحدود المادية لأجهزة أشباه موصلات الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون وفعاليتها. مواد.

في الوقت الحاضر، تنقسم عملية التحضير الرئيسية لركيزة SiC تقريبًا إلى خطوتين: الخطوة الأولى هي أن يتم تسامي مسحوق SiC عند درجة حرارة عالية في فرن بلوري واحد ثم يتم تشكيل سبيكة SiC في الفرن البلوري الفردي؛ ثانيًا، المعالجة الخشنة والقطع والطحن والتلميع لسبائك SiC للحصول على رقاقة SiC شفافة أو نصف شفافة (أي ركيزة SiC) بدون طبقة تالفة وخشونة منخفضة.

اتجاه التطور التقني: فيما يتعلق بالأجهزة، يجري تطوير أجهزة ذات جهد عالي التحمل أعلى من 3.3 كيلو فولت، ويتم تقديم تصميم الخندق لتحسين أداء الجهاز وموثوقيته؛ فيما يتعلق بالتغليف، سيتم تحسين عملية التغليف لإفساح المجال كاملاً لمزايا مقاومة درجات الحرارة العالية لكربيد السيليكون.