تعمل عملية تنظيف أسطح أشباه الموصلات بالبلازما على إزالة الأكاسيد الأصلية وتلوث الكربون والروابط المعلقة من GaN و Ga₂O₃ في درجات حرارة منخفضة، مما يحسن مقاومة التلامس الأومي وموثوقية الجهاز دون الضرر الحراري الذي تسببه المعالجة التقليدية.
لماذا تُعدّ عملية تحضير الأسطح نقطة الاختناق التي لا يتحدث عنها أحد؟
يحظى كل من نيتريد الغاليوم (GaN) وأكسيد الغاليوم (Ga₂O₃) باهتمام كبير لأسباب وجيهة. ففجوة النطاق في نيتريد الغاليوم (3.4 إلكترون فولت) ونطاق فجوة النطاق الأوسع في أكسيد الغاليوم (4.5 إلى 5.3 إلكترون فولت) يضعانهما في فئة مختلفة عن السيليكون لتطبيقات الطاقة العالية والترددات العالية.
جهد انهيار أعلى، ومقاومة تشغيل أقل، وكفاءة أفضل في درجات الحرارة المرتفعة - حالة الأداء مثبتة جيدًا.
ما لا يحظى بالاهتمام الكافي هو ما يحدث على السطح أثناء التصنيع. فالنمو الطبقي ومعالجة الأجهزة يتركان وراءهما أكاسيد طبيعية، وبقايا كربون، وتلوث بالأكسجين تتواجد مباشرة عند السطح الفاصل بين المعدن وأشباه الموصلات.
إنها تعمل على تشتيت حاملات الشحنة، وزيادة مقاومة التلامس، ورفع ارتفاع حاجز شوتكي بطرق تحد من الجهاز بغض النظر عن مدى جودة المادة الأساسية.
تعالج عملية التنظيف الكيميائي الرطب التلوث الظاهر، لكنها تترك آثارًا على السطح وروابط غير مكتملة. وتظهر هذه الآثار على شكل أجهزة لا تعمل وفقًا لمواصفاتها وتتدهور بشكل أسرع من المتوقع.
ما يفعله بلازما التردد اللاسلكي 13.56 ميجاهرتز فعلياً بالسطح
يُنتج نظام فراغ بترددات الراديو عند 13.56 ميجاهرتز بلازما يمكن ضبط كثافة الأيونات وطاقتها بشكل مستقل. هذا التحكم المستقل هو الأهم. إذ يُمكنك ضبط طاقة كافية لكسر روابط الملوثات وإزاحة جزيئات السطح دون التوغل عميقًا في الشبكة البلورية لإحداث ضرر.
يحدث شيئان على السطح في وقت واحد:
- التفاعل الكيميائي: تهاجم الأنواع الجذرية روابط الملوثات بشكل مباشر، وتحولها إلى منتجات ثانوية متطايرة يتم سحبها من الحجرة.
- التقطيع المادي: يعمل قصف الأيونات على إزالة ما يفوته التنظيف الكيميائي، بما في ذلك الأجزاء الداخلية ذات النسبة العالية بين الطول والعرض حيث لا يمكن للتنظيف الرطب الوصول إليها.
في عملية تنظيف نتريد الغاليوم (GaN)، تعمل بلازما النيتروجين أو بلازما الأرجون/الهيدروجين على إزالة أكسيد الغاليوم الأصلي والملوثات الكربونية عند درجات حرارة أقل بكثير مما تتطلبه الطرق الحرارية. نتريد الغاليوم لا يتحمل درجات الحرارة العالية جيدًا، لذا فإن هذا الأمر أكثر أهمية مما قد يبدو.
في معالجة أكسيد الغاليوم بالبلازما، تُدخل بلازما الأرجون منخفضة الطاقة فراغات أكسجين مُتحكم بها في سطح Ga₂O₃. تُحسّن هذه الفراغات توصيل الإلكترونات وتجعل مقاومة التلامس تحت.
يعمل نظام البلازما الفراغي VL-10-A من Keylink بتردد 13.56 ميجاهرتز مع فراغ تشغيلي يتراوح بين 10 و100 باسكال، ويدعم غازات الأكسجين والأرجون والهيدروجين والنيتروجين ورباعي فلوريد الكربون وغيرها من غازات المعالجة. وتتعامل المنصة نفسها مع تحضير كل من نتريد الغاليوم وأكسيد الغاليوم دون الحاجة إلى إعادة تهيئة الأجهزة. مجموعة كاملة من أنظمة البلازما الفراغية يغطي هذا البرنامج تكوينات إضافية لتلبية متطلبات الإنتاج المختلفة.
مشكلة المعالجة الحرارية لهذه المواد
تُعدّ المعالجة الحرارية فعّالة بما يكفي للسيليكون. أما بالنسبة لنيتريد الغاليوم وأكسيد الغاليوم، فإنها تُسبّب مشاكل أكثر مما تحلّ.
تتطلب إزالة الأكاسيد الطبيعية من نتريد الغاليوم حراريًا درجات حرارة أعلى من 850 درجة مئوية، متجاوزةً النقطة التي يبدأ عندها نتريد الغاليوم بالتحلل. يُحدث التلدين الحراري السريع إجهادًا يُشوش على واجهات البنية غير المتجانسة التي تجعل هذه الأجهزة مفيدة. تنتشر الشوائب في غير موضعها.
يتميز أكسيد الغاليوم (Ga₂O₃) بحساسيته الخاصة. وتحدد تركيبته الكيميائية، وتحديداً تركيز فراغات الأكسجين، سلوكه الكهربائي. ولا تتيح المعالجة الحرارية العالية تحكماً دقيقاً في ذلك.
تتجاوز معالجة البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة كل هذا:
- تبقى توزيعات الشوائب في أماكنها لأن الميزانية الحرارية تظل منخفضة.
- تبقى واجهات البنية غير المتجانسة سليمة دون تمدد حراري تفاضلي يؤدي إلى إجهاد في الطبقات.
- تبقى الهياكل النانوية والخصائص ذات النسبة العالية بين الطول والعرض سليمة لأن العملية لا تتطلب حرارة ضارة.
- تبقى نسبة Ga/N على GaN ضمن النطاق 1.0 ± 0.04 الذي يتطلبه السلوك الأومي النظيف.
تحسين التوصيل الأومي وتنشيط سطح الرقاقة
نظّف السطح جيدًا، وسيتحسن أداء التوصيل. ويتحقق تحسين التوصيل الأومي بإزالة طبقات الأكسيد الطبيعية والحالات السطحية التي تجبر التيار على المرور عبر طبقات عازلة بدلًا من المرور عبر وصلة معدنية-شبه موصلة محددة جيدًا.
أهم نتائج تحضير سطح البلازما:
- أظهرت أجهزة Ga₂O₃ المعالجة ببلازما Ar/Cl₂ انخفاضًا في مقاومة التلامس بأكثر من عامل اثنين مقارنة بالعينات غير المعالجة.
- أظهرت ترانزستورات GaN HEMTs المعالجة ببلازما NH₃ عن بعد زيادة في تيار الخرج بمقدار 20 إلى 30%، مع تحسن ملحوظ في انخفاض التيار وتسرب البوابة.
- تصل ترانزستورات Ga₂O₃ FETs المحضرة باستخدام المعالجة المسبقة ببلازما الأرجون إلى مواصفات عالية الأداء دون الحاجة إلى التلدين بعد التمعدن.
تنشيط سطح الرقاقة كما يتحكم في نسبة العناصر الكيميائية الداخلة في عملية التمعدن. بالنسبة لتصنيع ترانزستورات HEMT وثنائيات شوتكي، فإن هذه الدقة عند السطح البيني هي غالباً ما تميز الأجهزة التي تجتاز الاختبارات الكهربائية عن تلك التي لا تجتازها.
تُطبّق Keylink نفس مبادئ التفعيل في مختلف القطاعات. يمكنكم الاطلاع على مواردنا حول تنظيف البلازما لتحسين التصاق هيكل الهاتف الذكي يوضح كيف يترجم تنشيط السطح إلى نتائج قابلة للقياس عبر مواد مختلفة.
ماذا يعني هذا بالنسبة لموثوقية أشباه الموصلات المركبة على المدى الطويل؟
إن جعل الجهاز مطابقاً للمواصفات في الاختبار الأولي أمر، والحفاظ على هذه المواصفات خلال مراحل التصنيع اللاحقة، وضغوط التغليف، وسنوات التشغيل أمر آخر.
تتميز الأسطح المُعالجة بالبلازما بنعومتها واستقرارها الكيميائي العالي مقارنةً بالأسطح المُعالجة حراريًا. كما أنها لا تُصاب بعيوب أثناء عمليات التصنيع اللاحقة التي تُؤدي إلى تدهور الأداء الكهربائي تدريجيًا. بالنسبة لأجهزة GaN وGa₂O₃ المُستخدمة في محولات السيارات، ومحطات الجيل الخامس، وأنظمة تحويل الطاقة الصناعية، فإن موثوقية أشباه الموصلات المركبة على المدى الطويل ليست خيارًا، بل هي شرط أساسي للتأهيل. تواصلوا معنا لمناقشة حلول البلازما الفراغية لتطبيقات أشباه الموصلات المركبة لديكم.
