يشير مصطلح "تكسير أشباه الموصلات" إلى عملية زراعة الأغشية الرقيقة أحادية البلورة على ركائز السيليكون أو كربيد السيليكون (SiC). تشترك الطبقة الفوقية في نفس اتجاه البلورة مثل الركيزة ويمكن زراعتها إما باستخدام نفس المادة (التماثل الفوقي) أو مواد مختلفة (التغاير الفوقي). بالنسبة للأجهزة عالية التردد وعالية الطاقة، يساعد النمو الفوقي على تحسين أداء الجهاز: توفر الطبقات الفوقية عالية المقاومة جهد انهيار عالٍ، بينما تقلل الركائز منخفضة المقاومة من المقاومة المتسلسلة، مما يقلل من جهد التشبع. يمكن تخدير الطبقات الفوقية كنوع P أو نوع N، مما يشكل تقاطعات PN التي تسمح بتدفق التيار أحادي الاتجاه، مما يتيح التصحيح. تُستخدم طبقات فوقية SiC على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة وأجهزة التردد اللاسلكي (RF) والتطبيقات الإلكترونية الضوئية.
1. سلسلة صناعة SiC وتوزيع القيمة
تتكون سلسلة صناعة أجهزة SiC من ثلاثة قطاعات رئيسية: الركيزة والإيبيتاكس وتصنيع الأجهزة (التصميم والتصنيع والتغليف). وتمثل مرحلتا الركيزة والإيبيتاكس حوالي 701 تيرابايت 3 تيرابايت من سلسلة القيمة، بينما تمثل المعالجة النهائية للأجهزة 301 تيرابايت 3 تيرابايت فقط. وهذا يتناقض مع أجهزة السيليكون التقليدية، حيث تمثل معالجة ما بعد الرقاقة معظم تكاليف الإنتاج. ويسلط تركيز القيمة المرتفعة في المراحل الأولية الضوء على الأهمية الاستراتيجية لتقنيات الركيزة والتبخير.
جزء الركيزة نمو البلورات، وتقطيع الرقاقات، والطحن، والصقل. يمكن تحقيق نمو البلورات من خلال النقل الفيزيائي للبخار (PVT) أو الترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HTCVD) أو المرحلة السائلة للتبخير (LPE). يستخدم تشريح الرقاقة مناشير سلكية أو أسلاك الماس أو الليزر أو طرق الفصل البارد، بينما يضمن الصقل الميكانيكي الكيميائي (CMP) أسطحًا مسطحة وخالية من العيوب ومناسبة للنمو الفوقي.
2. عملية إنتاج ركيزة SiC
- نمو الكريستال:
- PVT: الطريقة السائدة لنمو بلورات SiC. المعدات بسيطة نسبيًا، وتكاليف التشغيل منخفضة، والتحكم في العملية بسيط ومباشر.
- HTCVD تنتج بلورات عالية النقاء ولكن معدلات نموها أبطأ، وعائداتها أقل، وتكاليفها أعلى.
- LPE: تنتج بلورات عالية الجودة ومنخفضة العيوب ولكن معدل النمو والحجم محدود.
- تقطيع الرقاقات:
- مناشير الأسلاك: طريقة قياسية ذات إنتاجية عالية وتكلفة منخفضة.
- سلك الماس والتقطيع بالليزر توفر كفاءة أعلى، وتقليل فقد المواد، وفوائد بيئية.
- الفصل البارد: يستخدم إجهاد المواد الداخلية لفصل الرقائق بأقل قدر من الفقد.
- الطحن والتلميع:
- CMP: الطريقة الرئيسية للحصول على أسطح رقاقة مسطحة للغاية وخالية من العيوب، وهي طريقة ضرورية لتحقيق تسطيح الرقاقة بشكل كبير وخالية من العيوب، وهي ضرورية للتبخير عالي الجودة.
3. عمليات ومعدات التبخير الشمعي
يُعد النمو الفوقي خطوة حاسمة في تصنيع أجهزة SiC. على عكس أجهزة السيليكون التقليدية، لا يمكن معالجة أجهزة SiC مباشرة على الركيزة. يجب زراعة طبقة فوقية أحادية البلورة عالية الجودة على الركيزة قبل تصنيع الجهاز.
- أنواع الشمع:
- هوموبيتاكسي زراعة SiC على ركائز SiC الموصلة المستخدمة في الأجهزة منخفضة الطاقة والترددات اللاسلكية والتطبيقات الإلكترونية الضوئية.
- التغاير: زراعة GaN على ركائز SiC شبه العازلة المستخدمة في الأجهزة عالية الطاقة.
- معدات الإبيتاتكس:
- CVD (ترسيب البخار الكيميائي): تتفاعل السلائف الغازية على ركائز SiC المسخنة لترسيب طبقات فوقية.
- MOCVD (MOCVD) (التفريغ المقطعي المبرمج بالبطاريات المعدنية العضوية): يستخدم سلائف معدنية عضوية، مما يسمح بترسيب بدرجة حرارة منخفضة وطبقات رقيقة للغاية للهياكل المعقدة.
- LPE: إذابة المواد المصدرية في مذيب معدني منصهر وترسيبها على الركيزة عند التبريد.
- MBE (مجرة الشعاع الجزيئي): ترسب الطبقات الذرية تحت تفريغ فائق التفريغ للتحكم الدقيق في سُمك الطبقة وتكوينها.
- تقطيع الرقاقات بعد المجرة:
- التقطيع الميكانيكي و التقطيع بالليزر شائعة.
- التقطيع بالليزر يركز النبضات عالية الطاقة على مناطق صغيرة لتسخين المواد أو تعديلها، مما يقلل من فقدان الشق وتكوين الشقوق.
4. اتجاهات السوق والتكنولوجيا
لا يزال إنتاج الركائز وإنتاج الركائز من أشباه الموصلات يعتمد على التكنولوجيا المكثفة في صناعة أشباه الموصلات العالمية. وتشمل الاتجاهات المستقبلية ما يلي:
- زيادة حجم الركيزة من 6 بوصة إلى 8 بوصة أو أكبر لتقليل تكلفة الوحدة.
- تحسين معدات الأبيتاكس من أجل الدقة العالية وكثافة العيوب المنخفضة والتحكم في الطبقة الذرية لتلبية متطلبات الطاقة العالية والتردد العالي.
- تطوير تقنيات التقطيع نحو طرق الفصل البارد والليزر منخفضة الفاقد والليزر غير الملامس.
- تعزيز استقلالية المعدات المحلية والعالمية، لا سيما في أفران التثليج وأنظمة التقطيع عالية الدقة.
5. الخاتمة
معدات إبثتكس SiC ضروري لتصنيع الأجهزة عالية الطاقة والترددات اللاسلكية والأجهزة الإلكترونية الضوئية. وتؤثر جودة الركائز والطبقات الفوقية ومعدات التقطيع بشكل مباشر على أداء الأجهزة والقدرة التنافسية للصناعة. ومع الطلب المتزايد على الأجهزة عالية الطاقة، سيؤدي التقدم المستمر وتوطين تكنولوجيا التلبيد دورًا متزايد الأهمية في سلسلة قيمة أشباه الموصلات.