نيتريد البورون المضغوط على الساخن (HPBN) مقابل نيتريد البورون النيتريد المتحلل بالحرارة (PBN)

1 مقدمة

برزتمادة نيتريد البورون نيتريد (BN)، وهي مادة خزفيةمتقدمة، باعتبارها مادة لا غنى عنها في القطاعات الصناعية والتكنولوجية الحرجة بسبب مزيجها الاستثنائي من الخصائص، بما في ذلك الموصلية الحرارية الفائقة والعزل الكهربائي الفائق والثبات الملحوظ في درجات الحرارة العالية (يمكن استخدامها فوق 2000 درجة مئوية في الأجواء الخاملة)، والخمول الكيميائي تجاه معظم المعادن المنصهرة والبيئات المسببة للتآكل، وثابت العزل الكهربائي المنخفض وظل الفقد، والتشحيم المتأصل. من بوتقات النمو أحادية البلورة ومكونات الإدارة الحرارية في تصنيع أشباه الموصلات إلى التعامل مع المعادن المنصهرة ذات درجة الحرارة العالية في علم المعادن، ثم إلى تطبيقات البيئة القاسية في الفضاء والطاقة النووية والتغليف الإلكتروني المتقدم، تُظهر المواد القائمة على BN إمكانات تحويلية.

ومع ذلك، يتأثر التشكل النهائي (على سبيل المثال، السائب أو الطلاء أو الغشاء) وخصائص الأداء الأساسية (على سبيل المثال، النقاء والكثافة والتباين الخواص والقوة الميكانيكية واتجاه التوصيل الحراري/الكهربائي) لمواد ثنائي نيترو البنزين بشدة بعمليات تصنيعها. ومن بين طرق التصنيع المختلفة، تعد نيتريد البورون المضغوط على الساخن (HPBN) ونتريد البورون المتحلل بالحرارة (PBN) أكثر تقنيتين محوريتين لإنتاج نيتريد البورون السائب والسميك. وعلى الرغم من اشتراكهما في نفس المادة الأساسية، إلا أن هاتين العمليتين تختلفان اختلافًا جوهريًا في المبادئ (التلبيد الفيزيائي مقابل ترسيب البخار الكيميائي)، والمعايير التشغيلية (التوطيد بدرجة حرارة عالية/ضغط عالٍ مقابل تفاعلات مرحلة البخار في الغلاف الجوي/ضغط منخفض)، وخصائص المواد الناتجة، مما يؤدي إلى بنى مجهرية متميزة وملامح خصائص ومجالات تطبيقية مختلفة. تقارن هذه المراجعة بشكل منهجي المبادئ العلمية، وسير عمل المعالجة، والمزايا/القيود التقنية، وفوارق أداء المواد (بما في ذلك النقاء والكثافة والتباين الحراري/الكهربائي والسلوك الميكانيكي وخصائص التفريغ) بين تقنيات HPBN وPBN. ويهدف هذا العمل، من خلال توضيح سيناريوهات التطبيق المثلى لكل منهما، إلى تزويد مهندسي المواد والمصممين بإطار نظري صارم ومبادئ توجيهية عملية لاختيار المواد المستنيرة وفهم العملية المصممة خصيصًا لمتطلبات تقنية محددة.

الشكل 1 منتجات سيراميك نيتريد البورون نيتريد المختلفة

2 مبادئ العملية التفصيلية وسير العمل

2.1 نيتريد البورون المضغوط على الساخن - HPBN

تبدأ عملية تصنيع نيتريد البورون المضغوط على الساخن (HPBN) بم سحوق نيتريد البورون السداسي عالي النقاء (h-BN) كمادة خام أولية. ولتعزيز تكثيف التلبيد، يتم دمج إضافات طفيفة من معينات التلبيد، عادةً أكسيد البورون (B2O3) أو أكسيد الكالسيوم (CaO) أو أكسيد الألومنيوم (Al2O3) في خليط المسحوق. تتضمن العملية الأساسية تحميل المسحوق المتجانس في قالب جرافيت مصمم لهذا الغرض، يليه التطبيق المتزامن لدرجة حرارة مرتفعة (1700-2000 درجة مئوية) وضغط أحادي المحور (10-40 ميجا باسكال) تحت جو خامل (عادةً النيتروجين أو N2 أو الأرجون أو Ar) أو ظروف التفريغ.

تنطوي آلية التكثيف أثناء الكبس الساخن على تفاعلات فيزيائية كيميائية تآزرية: (1) التليين الحراري لجزيئات النفثالينات المشبعة بالحرارة عند درجات حرارة مرتفعة، (2) انزلاق الجسيمات الناجم عن الضغط وإعادة ترتيبها وتشوهها البلاستيكي، (3) تكوين المرحلة السائلة من مساعدات التلبيد عند درجات حرارة عالية. تعمل هذه المرحلة السائلة على تسريع عملية التكثيف من خلال عمليات الذوبان-التجديد على أسطح الجسيمات وانزلاق حدود الحبيبات. ويشمل سير العمل الكامل مزج المسحوق الدقيق، وتحميل القالب، والتحكم في الغلاف الجوي (عن طريق الضخ بالتفريغ أو التطهير بالغاز)، وزيادة درجة الحرارة/الضغط المتزامن، وتثبيت متساوي الحرارة ومتساوي الضغط لتحقيق التكثيف الكامل، والتبريد/إزالة الضغط المتحكم فيه قبل إزالة القوالب. وفي حين أن الكبس الساخن ينتج مكونات قريبة من الشكل الصافي تقريبًا، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى عمليات تصنيع لاحقة (مثل القطع والطحن) لتلبية التفاوتات النهائية للأبعاد.

تظهر منتجات HPBN في الغالب كمواد سائبة عالية الكثافة، بما في ذلك الألواح والقضبان والبوتقات والفوهات ومكونات العزل المتخصصة. وتكون الأشكال الهندسية والأبعاد التي يمكن تحقيقها مقيدة بشكل مباشر بالتصميم وقدرة التحميل لنظام أدوات الجرافيت.

2.2 نيتريد البورون النيتروني المتحلل حرارياً - PBN

يتم تصنيع نيتريد البورون النيتريد الانحلالي الحراري (PBN) عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) باستخدام سلائف غازية مثل ثلاثي كلوريد البورون (BCl3) أو ثلاثي بروميد البورون (BBr3) والأمونيا (NH3) كغازات متفاعلة. تحدث العملية داخل أفران ترسيب متخصصة تعمل في درجات حرارة تتراوح بين 1400 درجة مئوية إلى 1900 درجة مئوية تحت ضغط يمتد من التفريغ المنخفض إلى الظروف الجوية. ويبدأ تسلسل الترسيب بتحميل ركيزة نظيفة (عادةً ما تكون جرافيت عالي النقاء) في غرفة التفاعل، يليها ضخ الفراغ وإدخال مخاليط غازات سلائف/غازات ناقلة يتم التحكم فيها بدقة. عند الوصول إلى درجة حرارة الترسيب المستهدفة من خلال التسخين المبرمج، تخضع غازات السلائف للتحلل الحراري وإعادة التركيب على سطح الركيزة المسخنة، مما يتيح نمو المواد على نطاق ذري عبر التفاعل: BCl3 + NH3 → BN + 3HCl.

وتتبع آلية نمو المادة عملية تراكم طبقة تلو الأخرى يهيمن عليها التفاعل السطحي: تمتص الجزيئات الغازية على سطح الركيزة وتنتقل وتتشكل نواتها قبل تشكيل الهياكل البلورية BN من خلال الترابط الكيميائي. وتخضع كثافة طبقة الترسيب والاتجاه البلوري ومعدل النمو بشكل حاسم لأربعة معايير:

1. درجة حرارة الركيزة (تعديل حركية التفاعل السطحي والحركة الذرية)
2. ضغط المفاعل (التأثير على متوسط المسار الحر لجزيء الغاز)
3. نسب تدفق غاز السلائف (تحديد توازن التفاعل ومستويات الشوائب)
4. حالة سطح الركيزة (الخشونة والاتجاه البلوري الذي يؤثر على كثافة التنوي).

بعد التبريد المتحكم فيه، يتم تصنيف المنتجات النهائية إلى فئتين: الهياكل القائمة بذاتها المنفصلة عن الركائز القربانية عن طريق التحرير الميكانيكي/الكيميائي، أو الطلاءات المطابقة التي يتم ترسيبها مباشرة على المكونات الوظيفية. تتميز منتجات PBN بنقاوة عالية جدًا (> 99.99%) وبنى مجهرية غير مسامية، مع أشكال مميزة تشمل:

1. الطلاءات المنحنية المعقدة (عادةً بسماكة أقل من 500 ميكرومتر)
2. هياكل رقيقة الجدران ذاتية الدعم (أنابيب وبوتقات وقوارب ذات سمك جدار بمقياس المليمتر)
3. الأشكال الهندسية المغلقة ذات الملامح المعقدة ثلاثية الأبعاد

بينما يتيح PBN ترسيب التكوينات المعقدة، فإن معدل النمو البطيء بطبيعته يؤدي إلى زيادة أوقات التصنيع بشكل كبير بالنسبة للمقاطع السميكة (> 5 مم)، مما يجعلها أقل جدوى من الناحية الاقتصادية مقارنة بتقنيات التشكيل بالجملة مثل الكبس الساخن للتطبيقات ذات الحجم الكبير.

الشكل 2 التغيرات في الخواص الميكانيكية والبنية المجهرية لكتل نيتريد البورون عند درجات حرارة تشكيل مختلفة

3 خصائص العملية الأساسية والمقارنة

3.1 جوهر العملية ونظام المواد الخام

HPBN (نيتريد البورون المضغوط على الساخن):

تستخدم هذه الطريقة تقنية التلبيد في الحالة الصلبة. وبدءًا من مسحوق نيتريد البورون السداسي (h-BN)، يحدث التكثيف تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين. تعمل مساعدات التلبيد (مثل B2O3 أو CaO) على تعزيز التكثيف عن طريق تشكيل مرحلة سائلة تقلل من طاقة حدود الحبوب، مما يسهل إعادة ترتيب الجسيمات وتدفق البلاستيك.

PBN (نيتريد البورون النيتريد التحليلي الحراري):

هذه تقنية ترسيب كيميائي بالبخار (CVD). تتفاعل السلائف الغازية (BCl3 أو BBr3) مع NH3، مما يتيح الترسيب على المستوى الذري عبر تفاعلات كيميائية سطحية (على سبيل المثال، BCl3 + NH3 → BN + 3HCl). وتحقق هذه العملية درجة نقاء عالية وتلغي الحاجة إلى الضغط الميكانيكي.

3.2 معلمات العملية الرئيسية

الجدول 1 مقارنة معلمات العملية الرئيسية بين HPBN وPBN

3.3 آلية تشكيل البنية المجهرية

HPBN:

ينشأ التكثيف من الآليات الفيزيائية:

1. انزلاق الجسيمات وإعادة ترتيبها (مدفوعة بالضغط العالي)
2. انتشار حدود الحبيبات (يسهله ارتفاع درجة الحرارة)
3. الذوبان وإعادة الترسيب بمساعدة الطور السائل (يتم تمكينه بواسطة مساعدات التلبيد)

تكون المادة الناتجة عبارة عن ركام متعدد الكريستالات بأحجام حبيبات تتراوح بين 5 و20 ميكرومتر تقريبًا.

PBN:

النمو محكوم بالحركية الكيميائية:

1. امتزاز جزيئات الطور الغازي على الركيزة
2. الهجرة السطحية والتنوي (حساسة للغاية لدرجة الحرارة)
3. يشكل الترابط الكيميائي هياكل طبقية

يتميز المنتج بحبيبات عمودية متحاذية للغاية تُظهر نموًا عبر السماكة.

الشكل 3 أنماط الأشعة السينية XRD والبنية المجهرية للسيراميك السائب المحضّر من خلال SPS.

3.4 أداء المنتج وخصائصه الهندسية

الجدول 2 مقارنة بين خواص نيتريد البورون المضغوط على الساخن (HPBN) وخصائص نيتريد البورون المحلّل حراريًا (PBN)

3.5 المقارنة التقنية والاقتصادية

تتفوق HPBN في الإنتاج الضخم الفعال من حيث التكلفة للمكونات السميكة المقطع (مثل البوتقات والألواح العازلة) مع استثمار منخفض نسبيًا في المعدات (المكابس الساخنة مقابل أنظمة CVD). وعلى العكس من ذلك، تتيح تقنية PBN بيئات فائقة النقاء وخالية من التلوث ضرورية لتطبيقات أشباه الموصلات وتحقق تصنيعًا شبه شبكي الشكل للهياكل المعقدة ذات الجدران الرقيقة، مما يقلل بشكل كبير من هدر المواد.

تواجه كلتا التقنيتين قيودًا متأصلة: تكافح HPBN في تصنيع المكونات ذات الجدران الرقيقة التي يقل سمكها عن 1 مم بسبب مخاطر الكسر الهش أثناء إزالة القوالب، بينما تواجه PBN تصاعدًا هائلاً في التكلفة بعد سمك 5 مم بسبب بطء معدل الترسيب (حوالي 20 ميكرومتر/ساعة).

الجدول 3 عمليات التصنيع المقارنة: تلبيد نيتريد البورون المضغوط على الساخن (HPBN) مقابل الترسيب الكيميائي بالبخار بالترسيب الكيميائي لبخار نيتريد البورون المحلّل حراريًا (PBN)

4 تحليل مقارن لخصائص المواد

على الرغم من أن كلاً من نيتريد البورون المضغوط على الساخن (HPBN) ونيتريد البورون المحلّل حراريًا (PBN) ينتمي إلى نظام نيتريد البورون السداسي، فإن الاختلافات في البنية المجهرية تملي خصائص ماكروسكوبية متباينة بشكل أساسي. يُظهر نيتريد البورون السداسي النيتريد، الذي يتشكل عن طريق التلبيد بدرجة حرارة عالية/ضغط عالٍ، حبيبات موجهة عشوائيًا تخلق بنية متعددة البلورات تحتوي على مسام مغلقة معزولة (0.5-3 ميكرومتر) بكثافة تتراوح بين 1.8 و2.0 جم/سم3. وتحد مساعدات التلبيد المتبقية (على سبيل المثال، B2O3) من نقاوته إلى 99.5-99.9%. وعلى النقيض من ذلك، فإن PBN - الذي يتم إنتاجه من خلال الترسيب الكيميائي للبخار - يطور حبيبات عمودية تنمو بشكل طبيعي على الركيزة، مما ينتج عنه بنية أحادية الطور كثيفة بالكامل (2.20-2.25 جم/سم3) تتجاوز نقاوتها 99.99% دون دمج إضافات التلبيد.

4.1 الخواص الحرارية والكهربائية

يمنحه التركيب البلوري العمودي ل PBN خصائص توصيل حراري متباين الخواص إلى أقصى حد: تصل الموصلية الحرارية على طول اتجاه مستوى الترسيب (مستوى أ-ب) إلى 150-220 واط/(م-ك)، مقتربة من الحد النظري للبلورات المفردة من النفثالينات عالية الكثافة؛ في حين تنخفض الموصلية الحرارية المتعامدة على اتجاه مستوى الترسيب (المحور ج) انخفاضًا حادًا إلى 1-3 واط/(م-ك)، مما يشكل حاجزًا حراريًا طبيعيًا. وفي المقابل، يُظهر HPBN موصلية حرارية متساوية الخواص (25-60 واط/(م-ك)) بسبب ترتيب حبيباته غير المنتظم، وتقلل حدود حبيباته بشكل كبير من التوصيل الحراري من خلال تشتت الفونونات. تُظهر كلتا المادتين خصائص عزل كهربائية ممتازة، مع مقاومات حجمية تتجاوز 10^13 Ω-سم. ومع ذلك، فإن PBN، نظرًا لهيكله الخالي من المسام، لديه قوة انهيار أعلى قليلاً (40-50 كيلو فولت/مم) من HPBN (30-40 كيلو فولت/مم).

4.2 الفراغ والاستقرار الكيميائي

يمكّن الهيكل الكثيف بالكامل ل PBN من تحقيق معدل انبعاث غازات منخفضة تصل إلى 5×10^-11 تور-لتر/(s-cm ^ 2) في بيئات التفريغ الفائق (<10^-10 ملي بار)، وهو أقل بمقدار 1-2 مرات من HPBN، مما يجعله الخيار المفضل للمكونات الأساسية في معدات أشباه الموصلات الفوقية. وفيما يتعلق بالخمول الكيميائي، تقاوم كلتا المادتين التآكل من المعادن المنصهرة (Al، النحاس، النحاس الأصفر والنحاس الأصفر) والأحماض غير المؤكسدة. ومع ذلك، يُظهر PBN مقاومة فائقة للتآكل القلوي المنصهر (على سبيل المثال، هيدروكسيد الصوديوم) بسبب عدم وجود مراحل الشوائب. تشير اختبارات عتبة الأكسدة في درجات الحرارة العالية إلى أن PBN يظل مستقرًا حتى 850 درجة مئوية في الهواء الجاف، متفوقًا على عتبة HPBN البالغة 800 درجة مئوية. وينبع هذا الاختلاف من المُسرِّع عند حدود حبيبات HPBN، والذي يسرّع عملية الأكسدة.

4.3 الخواص الميكانيكية وقابلية التشغيل الآلي

تضفي قوة الانثناء (30-100 ميجا باسكال) وصلابة الكسر (2.5-3.5 ميجا باسكال-م^1/2) من HPBN على قابلية التشغيل الآلي الشبيهة بالجرافيت، مما يتيح إنتاج أشكال هندسية معقدة من خلال المعالجة الميكانيكية التقليدية. على الرغم من أن PBN يُظهر قوة أعلى (120-180 ميجا باسكال) في اتجاه المستوى a-b، إلا أن بنيته ذات الطبقات تؤدي إلى تفكك هش على طول اتجاه المحور c (صلابة الكسر 1.0-1.8 ميجا باسكال - m^1/2 فقط)، مع صلادة دقيقة (350-400 كجم/مم2) تبلغ حوالي 1.5 ضعف صلادة HPBN. هذا المزيج المتناقض من الصلابة العالية والصلابة المنخفضة يجعل من المستحيل تقريبًا تصنيع PBN عن طريق الخراطة أو الطحن، ولا يمكن تشكيله مباشرةً إلا من خلال عمليات الطحن أو الترسيب الدقيقة.

الجدول 4 مقارنة معلمات الأداء الرئيسية

4.4 الجوهر المادي لاختلافات الأداء

ينشأ التباين الواضح في PBN من بنية حبيباته العمودية عالية التوجّه: حيث يسهّل الترابط التساهمي القوي داخل المستويات A-b مسارات التوصيل الحراري العالية، بينما تتسبب قوى فان دير فال الضعيفة على طول اتجاه المحور c في مقاومة حرارية كبيرة. وعلى العكس من ذلك، يُظهر HPBN خصائص موحدة بسبب التراص العشوائي للحبيبات. وتؤثر مسامها الدقيقة المعزولة بشكل طفيف على القوة الميكانيكية ولكنها تتيح إمكانية التشغيل الآلي. والجدير بالذكر أن تعايش نيتريد البورون السداسي الطبقات في PBN بين القوة العالية داخل المستوى (الموازية لسطح الترسيب) والتكامل الضعيف عبر السماكة يعكس بشكل أساسي البنية البلورية الطبقية لنيتريد البورون السداسي، حيث تُظهر الرابطة التساهمية القاعدية المستوية أكثر من رتبتين من القوة أكبر من قوى فان دير فال البينية.

4.5 مبادئ الاختيار الهندسي

في أنظمة التفريغ الفائق لأشباه الموصلات، تثبت بوتقة PBN أنها لا غنى عنها في أنظمة التفريغ الفائق لأشباه الموصلات بسبب انبعاث الغازات المنخفضة للغاية والنقاء العالي. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب قدرة التحميل الميكانيكية أو التشكيل المعقد (على سبيل المثال، بطانات خلايا التحليل الكهربائي بالملح المنصهر)، يوفر HPBN مزايا معالجة أكبر. وينشأ هذا التباين في الأداء من دقة التحكم الهيكلي: يمثل HPBN الحل الوسط في الأداء المتأصل في تعدين المسحوق التقليدي، في حين أن PBN يوضح قدرة ترسيب البخار على زيادة خصائص المواد الجوهرية إلى أقصى حد. تتطلب التطورات المستقبلية معالجة قيود المعالجة في PBN أو تعزيز التوصيل الحراري لـ HPBN من خلال تقنيات التحكم في توجيه الحبيبات.

الشكل 4 بوتقة نيتريد البورون نيتريد النيتريد المحلّل حراريًا

5 تحليل سيناريو التطبيق النموذجي

5.1. المجالات المفيدة لنيتريد البورون المضغوط الساخن (HPBN)

يُظهر HPBN قيمة لا يمكن الاستغناء عنها في التطبيقات التي تتطلب خصائص متساوية الخواص وقابلية التشغيل الآلي وكفاءة التكلفة: تستفيد الحاويات ذات درجات الحرارة العالية على نطاق واسع مثل بوتقات ذوبان أشباه الموصلات GaAs/GaP ذات أشباه الموصلات (قطر > 300 مم) وأحواض توزيع سبائك الألومنيوم المصبوبة من سبائك الألومنيوم من معامل التمدد الحراري الموحد (3.5-4.5×10^6/درجة مئوية) لتحمل ضغوط التدوير الحراري، بينما تضمن سماكة الجدار الكبيرة (≥20 مم) احتواء المواد المنصهرة. بالنسبة للمكونات الوظيفية المعقدة، يتيح HPBN قنوات تبريد مشكّلة في بطانات غرفة قوس البلازما المقاومة لتآكل القوس، ويحقق تشطيبات سطح Ra 0.4 ميكرومتر على قوالب صب الزجاج لمنع الالتصاق. في التطبيقات الحساسة من حيث التكلفة مثل فوهات اللحام أو تركيبات المعالجة الحرارية، يقلل تصنيع HPBN الملبد من التكاليف بنسبة 60-80% مقارنةً بـ PBN، مع مسامية مضبوطة (<3%) تحافظ على الأداء الوظيفي. تتضمن إحدى الحالات البارزة دعامات عزل أفران سبيكة السيليكون متعددة الكريستالات (قوة الانثناء ≥80 ميجا باسكال) التي تظهر تشوهًا أقل من 0.5 مم بعد 2000 ساعة عند درجة حرارة 1560 درجة مئوية، متفوقة بشكل كبير على بدائل الجرافيت.

يهيمن PBN على التطبيقات المتطورة من خلال النقاء الشديد (> 99.99%)، والتكثيف الجوهري، والتباين الحراري المصمم هندسيًا. في صناعة أشباه الموصلات فائقة النقاء، تمنع قوارب مصدر MBE التلوث المعدني (Al، Fe)، بينما يحافظ معدل الغازات الخارجة من PBN <5×10^^-11 تور-لتر/(s-cm ^ 2) على سلامة الفيلم. يحقق نمو بلورات GaAs GaAs العمودية (VB) مستويات شوائب الكربون <10^15 ذرة/سم^3 باستخدام بوتقات PBN. وتستخدم أنظمة التفريغ الحرجة مثل موازانات خط أشعة السنكروترون (10^10 باسكال) بطانات PBN لمنع امتصاص الهيدروكربون، وتستغل مصادر أيونات مطياف الكتلة إنتاجها المنخفض من الاخرق (<10^4 ذرات/أيون). وتتضمن الإدارة الحرارية الاتجاهية مشتتات حرارة الصمام الثنائي الليزري حيث توفر ركائز PBN مقاس 2 مم توصيلًا حراريًا داخل المستوى >200 واط/(م-ك) مع الحد من توصيل المحور c إلى 1.5 واط/(م-ك)، ودروع مراقبة الصب المستمر التي تحافظ على الأطراف الباردة <200 درجة مئوية على الرغم من المناطق الساخنة التي تبلغ 1600 درجة مئوية. تنتج قدرة التشكيل شبه الشبكي في PBN هياكل رقيقة الجدران مثل أنابيب مولد البلازما بالترددات اللاسلكية (بسماكة 0.8-1.2 مم، وسمك Ra <0.1 ميكرومتر كما هو مودع)، مما يضمن توحيد البلازما دون معالجة لاحقة. قللت دراسة حالة جهاز زرع الأيونات باستخدام غرف قوس PBN (نقاء 99.995%) من التلوث المعدني لرقاقة السيليكون إلى 5×10^9 ذرات/سم2، أي أقل بمقدار مرتبتين من مكونات الألومينا.

الجدول 5 آلية قرار الاختيار

5.2 الترابط العميق لسيناريوهات التطبيق

ميزة النقاء الجوهري:

تنشأ هيمنة PBN في تطبيقات أشباه الموصلات من نقاوته المتأصلة. تتجنب عملية ترسيب البخار إدخال عناصر أخرى غير B وO (مثل الكالسيوم والألمنيوم) الموجودة في مساعدات التلبيد، في حين أن حتى 0.1% B2O3 في HPBN يمكن أن يتطاير فوق 1400 درجة مئوية ويلوث طبقات InP الفوقية.

ابتكار الإدارة الحرارية:

يتيح التباين الحراري لـ PBN هياكل ثورية لتبديد الحرارة. في وحدات الليزر من فئة كيلوواط، تزيد ركائز PBN من كفاءة تبديد الحرارة بنسبة 300% مع الحد من ارتفاع درجة الحرارة في البصريات الحساسة حراريًا إلى أقل من 5 درجات مئوية - وهو تحسن كبير مقارنةً بركائز الألمنيوم التقليدية التي تسبب عادةً زيادة في درجة الحرارة تزيد عن 30 درجة مئوية.

الشكل 5 ينتج عن عملية التفريغ القابل للذوبان CVD أيضًا بنية شبه مثالية من الطبقات PBN، كما هو موضح في الشكل أدناه. وينتج عن ذلك موصلية حرارية متباينة الخواص - تختلف الموصلية الحرارية في اتجاه الترسيب (الاتجاه A) والعمودية على مستوى الترسيب (الاتجاه C) بمعامل يبلغ حوالي 20، مما يجعلها مادة مثالية لتصنيع بوتقات نمو البلورات. لذلك، تعتبر بوتقات PBN خيارًا شائعًا أيضًا في مجال نمو بلورات GaAs.

تخفيف وضع الفشل:

يستفيد تطبيق HPBN في غرف قوس البلازما في غرف قوس البلازما من خصائص التآكل المنتظم. ويتيح الهيكل متعدد الكريستالات معدلات تآكل متساوية الخواص (0.1-0.3 مم/1000 ساعة)، في حين أن PBN قد يتعرض للتفكيك طبقة تلو الأخرى تحت القصف الأيوني بسبب هيكله متعدد الطبقات متباين الخواص.

6 الاستنتاج

ينبع التباين في الأداء بين نيتريد البورون المضغوط على الساخن (HPBN) ونيتريد البورون المحلّل حراريًا (PBN) من عمليات التصنيع المتميزة. يطور نيتريد البورون نيتريد البورون عالي الكثافة (HPBN)، الذي تم تشكيله عن طريق تلبيد المسحوق، بنية متعددة الكريستالات ذات خصائص متساوية الخواص وقابلية تشغيل جيدة بتكاليف أقل. ومع ذلك، فإن المسامية المتبقية (0.5-3%) ومواد التلبيد المضافة تحد من نقاوته إلى ≤99.9%، مما يؤدي إلى ارتفاع الغازات المنبعثة من الفراغ (~ 10^-8 تور-لتر/(s-cm ^2)). وفي المقابل، ينمي PBN حبيبات عمودية من خلال ترسيب البخار الكيميائي، مما يحقق نقاءً بنسبة >99.995% ومعدلات انبعاث غازات أقل من 5×10^-^-11 تور-لتر/(s-cm ^ 2). تُظهر الموصلية الحرارية تباينًا واضحًا في التوصيل الحراري، حيث تصل إلى 220 واط/(م-ك) في المستوى أ-ب ولكن 2 واط/(م-ك) فقط على طول المحور ج، على الرغم من أن الترابط الضعيف بين الطبقات يسبب هشاشة في التشغيل الآلي.

يعتمد اختيار التطبيق على حدود الأداء:

• يتفوق HPBN في البوتقات المنصهرة الكبيرة (على سبيل المثال، صهر النحاس) وبطانات غرف البلازما التي تتطلب معالجة معقدة أو حساسية التكلفة
• يبقى PBN لا يمكن الاستغناء عنه في بوتقات MBE، وغرف القوس القوسي الأيوني الضمني، ومشتتات الحرارة بالليزر التي تتطلب نقاءً بنسبة >99.99% أو إدارة حرارية اتجاهية

يعطي إطار الاختيار الأولوية لثلاثة معايير حاسمة:

• متطلبات التفريغ: PBN إلزامية للضغوط <10^-8 باسكال
• الإدارة الحرارية: يعد PBN ضروريًا عند الحاجة إلى توصيل اتجاهي (> 200 واط/(م-ك) في المستوى مع تسرب <3% من خلال السماكة)
• عتبة التكلفة: يُفضل استخدام PBN في السيناريوهات التي تفوق فيها متطلبات الأداء سهولة التصنيع وحساسية التكلفة.

يجب أن تعالج الاختراقات المستقبلية القيود الأساسية: يتطلب HPBN موصلية معززة داخل المستوى (حاليًا <40 واط/(م-ك))، بينما يحتاج PBN إلى صلابة محسنة للمحور c. تقدم الهياكل الهجينة (على سبيل المثال، طلاءات PBN على ركائز HPBN) حلولاً قابلة للتطبيق، حيث تم التحقق بالفعل من صحة تحسين عمر 50٪ في صواني أشباه الموصلات الحاملة.

ولتحقيق الاستفادة الكاملة من المزايا الفريدة لكل من HPBN وPBN، فإن الوصول المستمر إلى مواد عالية الجودة ومخصصة للتطبيقات أمر بالغ الأهمية. وتقف شركة Stanford Advanced Materials (SAM) في طليعة سلسلة التوريد هذه، حيث تقدم مجموعة واسعة من منتجات نيتريد البورون المصممة خصيصًا لتلبية المتطلبات الصارمة لأشباه الموصلات وقطاعات الفضاء والصناعة. وبالإضافة إلى توفير المنتجات، تقدم SAM الدعم الفني المتخصص والحلول المخصصة، مما يمكّن مهندسي المواد والمصممين من تحسين الأداء وتسريع الابتكار. تضمن الشراكة مع موردين موثوق بهم مثل SAM-Meyer تحقيق الإمكانات التحويلية لبوليمرات نيتريد البورون بشكل كامل عبر حدود تكنولوجية متنوعة وصعبة.