يُعد كربيد السيليكون (SiC) مركبًا مميزًا يُستخدم في صناعة أشباه الموصلات ومنتجات السيراميك المتقدمة. وهذا غالبًا ما يُسبب خلطًا لدى عامة الناس، إذ قد يظنون أنهما نفس النوع من المنتجات. في الواقع، على الرغم من تشابه تركيبه الكيميائي، إلا أن كربيد السيليكون يُنتج إما سيراميكًا متقدمًا مقاومًا للتآكل أو أشباه موصلات عالية الكفاءة، ويلعب دورًا مختلفًا تمامًا في التطبيقات الصناعية. وتوجد اختلافات جوهرية بين مواد كربيد السيليكون المصنوعة من السيراميك وأشباه الموصلات من حيث البنية البلورية، وعمليات التصنيع، وخصائص الأداء، ومجالات التطبيق.
- متطلبات النقاء المتباينة للمواد الخام
يتميز كربيد السيليكون (SiC) من الدرجة السيراميكية بمتطلبات نقاء متساهلة نسبيًا لمواد التغذية المسحوقة. عادةً، تلبي المنتجات التجارية ذات النقاء 90%-98% معظم احتياجات التطبيقات، مع أن السيراميك الهيكلي عالي الأداء قد يتطلب نقاءً يتراوح بين 98% و99.5% (على سبيل المثال، يتطلب كربيد السيليكون (SiC) المرتبط بالتفاعل محتوى سيليكون حرًا مُتحكمًا فيه). يتحمل هذا السيراميك بعض الشوائب، وأحيانًا يُدمج عمدًا مُساعدات التلبيد مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) أو أكسيد الإيتريوم (Y₂O₃) لتحسين أداء التلبيد، وخفض درجات حرارة التلبيد، وزيادة كثافة المنتج النهائي.
يتطلب كربيد السيليكون (SiC) المُستخدم في أشباه الموصلات مستويات نقاء شبه مثالية. أما كربيد السيليكون أحادي البلورة المُستخدم في الركيزة، فيتطلب نقاءً بنسبة ≥99.9999% (6N)، مع حاجته في بعض التطبيقات المتطورة إلى نقاء بنسبة 7N (99.99999%). يجب أن تحافظ الطبقات الفوقية على تركيزات شوائب أقل من 10¹⁶ ذرة/سم³ (مع تجنب الشوائب العميقة مثل البورون (B) والألمنيوم (Al) والخامس (V). حتى الشوائب النزرة مثل الحديد (Fe) والألمنيوم (Al) والبورون (B) يمكن أن تؤثر بشدة على الخصائص الكهربائية، حيث تسبب تشتت الناقلات، مما يقلل من شدة مجال الانهيار، ويؤثر في النهاية على أداء الجهاز وموثوقيته، مما يستلزم مراقبة صارمة للشوائب.
مادة أشباه الموصلات من كربيد السيليكون
- هياكل بلورية مميزة وجودة عالية
يوجد كربيد السيليكون (SiC) ذو الدرجة السيراميكية بشكل أساسي على شكل مسحوق متعدد البلورات أو أجسام مُلبَّدة تتكون من العديد من بلورات كربيد السيليكون المجهرية عشوائية التوجه. قد تحتوي المادة على أنواع متعددة (مثل α-SiC وβ-SiC) دون رقابة صارمة على أنواع محددة، مع التركيز على الكثافة الكلية للمادة وتجانسها. يتميز تركيبها الداخلي بحدود حبيبية وفيرة ومسام مجهرية، وقد تحتوي على مواد مساعدة في التلبيد (مثل Al₂O₃ وY₂O₃).
يجب أن يكون كربيد السيليكون (SiC) من فئة أشباه الموصلات ركائز أحادية البلورة أو طبقات فوقية ذات بنى بلورية عالية التنظيم. ويتطلب ذلك أنواعًا متعددة محددة يتم الحصول عليها من خلال تقنيات نمو البلورات الدقيقة (مثل كربيد السيليكون 4H وكربيد السيليكون 6H). وتُعد الخصائص الكهربائية، مثل حركة الإلكترونات وفجوة النطاق، حساسة للغاية لاختيار الأنواع المتعددة، مما يتطلب رقابة صارمة. ويهيمن كربيد السيليكون 4H حاليًا على السوق نظرًا لخصائصه الكهربائية الفائقة، بما في ذلك حركة الناقل العالية وقوة مجال الانهيار، مما يجعله مثاليًا لأجهزة الطاقة.
- مقارنة تعقيد العملية
يستخدم كربيد السيليكون (SiC) ذو الدرجة السيراميكية عمليات تصنيع بسيطة نسبيًا (تحضير المسحوق ← التشكيل ← التلبيد)، وهي مشابهة لتصنيع الطوب. وتتضمن العملية:
- خلط مسحوق SiC عالي الجودة (عادةً بحجم الميكرون) مع المواد الرابطة
- التشكيل عن طريق الضغط
- التلبيد عالي الحرارة (1600-2200 درجة مئوية) لتحقيق التكثيف من خلال انتشار الجسيمات
يمكن تحقيق كثافة تزيد عن 90% في معظم التطبيقات. لا تتطلب العملية بأكملها تحكمًا دقيقًا في نمو البلورات، بل تركز على اتساق التشكيل والتلبيد. تشمل المزايا مرونة العملية للأشكال المعقدة، مع متطلبات نقاء أقل نسبيًا.
يتضمن كربيد السيليكون (SiC) المُستخدم في أشباه الموصلات عمليات أكثر تعقيدًا (تحضير مسحوق عالي النقاء ← نمو ركيزة أحادية البلورة ← ترسيب رقاقة فوقية ← تصنيع الجهاز). تشمل الخطوات الرئيسية ما يلي:
- إعداد الركيزة بشكل أساسي عن طريق طريقة النقل الفيزيائي للبخار (PVT)
- تصعيد مسحوق SiC في ظروف قاسية (2200-2400 درجة مئوية، فراغ عالي)
- التحكم الدقيق في تدرجات درجات الحرارة (±1 درجة مئوية) ومعلمات الضغط
- نمو الطبقة الفوقية عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) لإنشاء طبقات سميكة ومشبعة بشكل موحد (عادةً ما تكون من عدة إلى عشرات الميكرونات)
تتطلب العملية برمتها بيئات فائقة النظافة (مثل غرف نظيفة من الفئة 10) لمنع التلوث. وتشمل خصائصها دقة فائقة في العملية، مما يتطلب التحكم في المجالات الحرارية ومعدلات تدفق الغاز، مع متطلبات صارمة لنقاء المواد الخام (>99.9999%) وتطور المعدات.
- فروق التكلفة الكبيرة وتوجهات السوق
مميزات SiC من الدرجة السيراميكية:
- المواد الخام: مسحوق تجاري
- عمليات بسيطة نسبيًا
- تكلفة منخفضة: من آلاف إلى عشرات الآلاف من الرنمينبي للطن
- تطبيقات واسعة النطاق: المواد الكاشطة والمواد الحرارية وغيرها من الصناعات الحساسة للتكلفة
ميزات SiC من الدرجة شبه الموصلة:
- دورات نمو الركيزة الطويلة
- تحدي السيطرة على العيوب
- معدلات العائد المنخفضة
- التكلفة العالية: آلاف الدولارات الأمريكية لكل ركيزة مقاس 6 بوصات
- الأسواق المستهدفة: الإلكترونيات عالية الأداء مثل أجهزة الطاقة ومكونات الترددات الراديوية
مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة واتصالات الجيل الخامس، ينمو الطلب في السوق بشكل كبير.
- سيناريوهات التطبيقات المتمايزة
يُعدّ كربيد السيليكون (SiC) ذو الجودة السيراميكية "الركيزة الأساسية" في التطبيقات الإنشائية. بفضل خصائصه الميكانيكية الممتازة (صلابة عالية، مقاومة للتآكل) وخصائصه الحرارية (مقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة)، يتفوق في:
- المواد الكاشطة (عجلات الطحن، ورق الصنفرة)
- المواد المقاومة للحرارة (بطانات الأفران عالية الحرارة)
- المكونات المقاومة للتآكل/التآكل (أجسام المضخات وبطانات الأنابيب)
المكونات الهيكلية الخزفية من كربيد السيليكون
يؤدي SiC من الدرجة شبه الموصلة دور "النخبة الإلكترونية"، مستفيدًا من خصائص أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض لإظهار مزايا فريدة في الأجهزة الإلكترونية:
- أجهزة الطاقة: عاكسات السيارات الكهربائية، ومحولات الشبكة (تحسين كفاءة تحويل الطاقة)
- أجهزة التردد اللاسلكي: محطات قاعدة الجيل الخامس، وأنظمة الرادار (التي تتيح ترددات تشغيل أعلى)
- الإلكترونيات الضوئية: مادة الركيزة لمصابيح LED الزرقاء
رقاقة SiC الفوقية مقاس 200 مليمتر
| البعد | SiC بدرجة سيراميك | SiC من الدرجة شبه الموصلة |
| البنية البلورية | متعدد البلورات، متعدد الأنواع | بلورة واحدة، أنواع متعددة مختارة بدقة |
| التركيز على العملية | التكثيف والتحكم في الشكل | جودة الكريستال والتحكم في الخصائص الكهربائية |
| أولوية الأداء | القوة الميكانيكية، مقاومة التآكل، الاستقرار الحراري | الخصائص الكهربائية (فجوة النطاق، مجال الانهيار، وما إلى ذلك) |
| سيناريوهات التطبيق | المكونات الهيكلية، الأجزاء المقاومة للتآكل، المكونات ذات درجات الحرارة العالية | الأجهزة عالية الطاقة، والأجهزة عالية التردد، والأجهزة البصرية الإلكترونية |
| عوامل التكلفة | مرونة العملية وتكلفة المواد الخام | معدل نمو البلورات، دقة المعدات، نقاء المواد الخام |
باختصار، ينبع الاختلاف الجوهري من اختلاف أغراضهما الوظيفية: فكربيد السيليكون (SiC) السيراميكي يتميز بـ"الشكل (البنية)"، بينما يتميز كربيد السيليكون (SiC) شبه الموصلي بـ"الخصائص (الكهربائية)". يسعى الأول إلى تحقيق أداء ميكانيكي/حراري فعال من حيث التكلفة، بينما يمثل الثاني قمة تكنولوجيا تحضير المواد كمواد وظيفية أحادية البلورة وعالية النقاء. على الرغم من أن كربيد السيليكون (SiC) السيراميكي وأشباه الموصلي يشتركان في نفس الأصل الكيميائي، إلا أنهما يختلفان بوضوح في النقاء والبنية البلورية وعمليات التصنيع، إلا أنهما يُسهمان بشكل كبير في الإنتاج الصناعي والتقدم التكنولوجي في مجالاتهما.
XKH شركةٌ عالية التقنية متخصصة في البحث والتطوير وإنتاج مواد كربيد السيليكون (SiC)، وتقدم خدمات التطوير المُخصص والتصنيع الدقيق ومعالجة الأسطح، بدءًا من سيراميك كربيد السيليكون عالي النقاء ووصولًا إلى بلورات كربيد السيليكون المُستخدمة في أشباه الموصلات. باستخدام تقنيات التحضير المتقدمة وخطوط الإنتاج الذكية، تُقدم XKH منتجات وحلول كربيد السيليكون (SiC) عالية الأداء (بنقاء 90%-7N) ومُتحكم بها هيكليًا (متعدد البلورات/أحادي البلورة) لعملائها في مجالات أشباه الموصلات، والطاقة الجديدة، والفضاء، وغيرها من المجالات المتطورة. تُستخدم منتجاتنا على نطاق واسع في معدات أشباه الموصلات، والمركبات الكهربائية، واتصالات الجيل الخامس، والصناعات ذات الصلة.
فيما يلي الأجهزة الخزفية المصنوعة من كربيد السيليكون والتي تنتجها شركة XKH.
وقت النشر: 30 يوليو 2025