ركائز كربيد السيليكون (SiC) معيبة بطبيعتها ولا يمكن معالجتها مباشرة. إنها تتطلب نمو أغشية رقيقة محددة أحادية البلورة من خلال عملية الفوقي لإنتاج رقائق الرقائق. تُعرف هذه الطبقة من الفيلم الرقيق بالطبقة الفوقي. يتم تصنيع جميع أجهزة SiC تقريبًا على مواد الفوقي، وتعد جودة مادة SiC المتجانسة أمرًا أساسيًا لتطوير أجهزة SiC. يحدد أداء المادة الفوقي بشكل مباشر الأداء القابل للتحقيق لأجهزة SiC.

بالنسبة لأجهزة SiC ذات التيار العالي والموثوقية العالية، يجب أن تلبي المواد الفوقي متطلبات أكثر صرامة فيما يتعلق بتشكل السطح، وكثافة العيوب، وتوحيد المنشطات، وتوحيد السُمك. أصبح الحجم الكبير وكثافة العيوب المنخفضة والتوحيد العالي لطبقة SiC من التحديات الرئيسية لنمو صناعة SiC.

تحقيق الجودة العاليةكربيد الفوقيةيعتمد على العمليات والمعدات المتقدمة. الطريقة الأكثر استخدامًا للنمو الفوقي لـ SiC هي ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، وهي تقنية تسمح بالتحكم الدقيق في سماكة الفيلم، وتركيز المنشطات، والحد الأدنى من العيوب، ومعدلات النمو المعتدلة، والتحكم الآلي في العملية. لقد تم تسويق CVD بنجاح وأصبحت تقنية موثوقة لإنتاج أجهزة SiC.

حالة الأمراض القلبية الوعائية لـ SiC: أنظمة الجدار الساخن مقابل أنظمة الجدار الدافئ

يتم إجراء عملية نضوج SiC CVD بشكل عام باستخدامالجدار الساخنأوجدار دافئأنظمة الأمراض القلبية الوعائية. تعمل هذه الأنظمة عند درجات حرارة نمو عالية (1500-1700 درجة مئوية) لضمان استمرارية البنية البلورية 4H-SiC. على مر السنين، تم تطوير أنظمة CVD بتصميمات غرفة التفاعل الأفقية أو الرأسية، اعتمادًا على اتجاه تدفق الغاز الوارد بالنسبة لسطح الركيزة.

يتم قياس جودة المفاعلات الفوقية من كربيد السيليكون من خلال ثلاثة مؤشرات رئيسية:

1. أداء النمو الفوقي: يشمل توحيد السمك، وتوحيد المنشطات، وكثافة العيوب، ومعدل النمو.

2. أداء درجة الحرارة: يشمل معدلات التدفئة / التبريد، ودرجة الحرارة القصوى، وتجانس درجة الحرارة.

3. فعالية التكلفة: يشمل سعر الوحدة والطاقة الإنتاجية.

مقارنة ثلاثة مفاعلات النمو الفوقي الرئيسية من كربيد السيليكون

تم نشر ثلاثة أنواع من المفاعلات الفوقية من كربيد السيليكون تجاريًا:الجدار الساخن الأفقي الأمراض القلبية الوعائية,الأمراض القلبية الوعائية الكوكبية ذات الجدار الدافئ، والأمراض القلبية الوعائية العمودية ذات الجدار الساخن القريب. ولكل منها خصائصها الخاصة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات محددة. وفيما يلي ملخص لكل نوع:

1. أنظمة الأمراض القلبية الوعائية الأفقية ذات الجدار الساخن:
   عادةً، يستخدم هذا النظام عملية نمو رقاقة واحدة مدفوعة بالغاز، مناسبة للرقائق ذات القطر الكبير. الLPE Pe1O6النظام من إيطاليا هو نموذج تمثيلي. يمكن لهذا النظام تحقيق معدلات نمو عالية، ودورات فوقية قصيرة، وتناسق ممتاز عبر الرقاقات. في الصين، مثل الشركاتجينغ شنغ الميكانيكية والكهربائية,سي تي سي 48,شمال هواتشوانغ، وناسلقد طوروا أنظمة مماثلة.

   مقاييس الأداء(كما ذكرت LPE):

   • توحيد السماكة عبر الرقاقة ≥ 2%

   • توحيد تركيز المنشطات ≥ 5٪

   • كثافة عيب السطح ≥ 1 سم²

   • مساحة سطح خالية من العيوب (وحدة 2 مم × 2 مم) ≥ 90%

   في فبراير 2023،جينغ شنغ الميكانيكية والكهربائيةأطلقت أنظام 6 بوصة من رقائق SiC المزدوجةالتغلب على القيود المفروضة على أنظمة الرقاقة المفردة من خلال السماح بزراعة رقاقتين في كل غرفة مع تحكم مستقل في الغاز لكل طبقة، مما يقلل الاختلافات في درجات الحرارة إلى أقل من 5 درجات مئوية.

2. أنظمة الأمراض القلبية الوعائية الكوكبية ذات الجدار الدافئ:
   تتميز هذه الأنظمة بترتيب قاعدة كوكبية، مما يسمح بنمو رقائق متعددة في وقت واحد، مما يحسن كفاءة الإنتاج بشكل كبير. النموذج النموذجي هواكسترون AIXG5WWC(8 × 150 مم) وG10-كربيدسلسلة مناكسترون(ألمانيا).

   مقاييس الأداء(كما ذكرت اكسترون):

   • انحراف السُمك بين الرقائق ± 2.5%

   • توحيد السماكة ≥ 2%

   • انحراف تركيز المنشطات بين الرقائق ± 5%

   • تجانس تركيز المنشطات <2%

   ومع ذلك، فإن هذا النظام أقل شيوعًا في الصين، مع عدم كفاية بيانات الإنتاج الدفعي والعوائق الفنية العالية في التحكم في درجة الحرارة والتدفق. ولا تزال التنمية المحلية في مرحلة البحث والتطوير، ولم يتم تطوير أي بديل مباشر.

3. أنظمة الأمراض القلبية الوعائية العمودية ذات الجدار الساخن القريب:
   تستخدم هذه الأنظمة ركيزة دوارة عالية السرعة بمساعدة ميكانيكية خارجية. أنها تعمل تحت ضغوط الغرفة السفلية، مما يقلل من سمك طبقة اللزوجة، وبالتالي زيادة معدلات النمو. يؤدي عدم وجود جدار علوي في غرفة التفاعل إلى تقليل ترسب جسيمات كربيد السيليكون، مما يحسن التحكم في العيوب. الإبيريفوس6وإبيريفوس8مننوفلاري(اليابان) نماذج تمثيلية.

   مقاييس الأداء(كما ذكرت نوفلاري):

   • معدل النمو فوق 50μm/h

   • يتم التحكم في كثافة عيوب السطح بأقل من 0.1 سم²

   • تجانس السماكة وتركيز المنشطات ضمن 1% و2.6% على التوالي

   وعلى الرغم من أن هذه التكنولوجيا أظهرت نتائج ممتازة، إلا أنها لم يتم اعتمادها على نطاق واسع بعد في الصين، ولا يزال استخدامها على نطاق واسع محدودًا. الشركات المصنعة المحلية مثلشين سان دايوجينغ شنغ الميكانيكية والكهربائيةلقد صممنا أنظمة مماثلة، لكن التكنولوجيا لا تزال قيد التقييم.

ملخص أنواع المفاعلات وتطبيقاتها

تتمتع هياكل المفاعلات الثلاثة بنقاط قوتها وقيودها، وتخدم متطلبات السوق المحددة:

• الجدار الساخن الأفقي الأمراض القلبية الوعائية: معروف بمعدلات النمو السريعة والجودة الممتازة والتجانس. إنها سهلة التشغيل والصيانة، مع عمليات إنتاج راسخة، ولكن يمكن أن تكون الكفاءة محدودة بسبب تشغيل رقاقة واحدة والصيانة المتكررة.

• الأمراض القلبية الوعائية الكوكبية ذات الجدار الدافئ: يدعم نمو الرقاقات المتعددة في غرفة واحدة، مما يزيد من كفاءة الإنتاج، ولكن التحكم في التوحيد عبر الرقاقات المتعددة يظل تحديًا، مما يؤثر على الإنتاجية الإجمالية.

• الأمراض القلبية الوعائية العمودية ذات الجدار الساخن القريب: يتميز بتحكم ممتاز في العيوب ومعدلات نمو عالية، ولكن هيكله المعقد يتطلب صيانة متقدمة وخبرة تشغيلية، مما يحد من اعتماده على نطاق واسع.

في الختام، يلعب كل نوع من المفاعلات دورًا مهمًا في المراحل المختلفة لإنتاج أجهزة SiC، مع تأثر الاختيارات بعوامل مثل حجم الإنتاج والتكلفة ومتطلبات الأداء المحددة. مع تطور صناعة SiC، ستستمر التطورات في التكنولوجيا الفوقية في تشكيل مستقبل أجهزة SiC عالية الأداء.