الإعلان عن الفائز بمنحة كلية ستانفورد للمواد المتقدمة لعام 2024

في هذا العام، ركزبرنامج Stanford Advanced Materials (SAM ) على تشجيع الابتكار في تكنولوجيا المساحيق الكروية. وقد دعونا الطلاب لمشاركة مقترحاتهم البحثية أو مشاريعهم أو دراساتهم حول التطبيقات والتحديات والتطورات في هذا المجال.

على مدى الأشهر القليلة الماضية، تلقينا العديد من المقترحات المثيرة للإعجاب من الطلاب في جميع أنحاء الولايات المتحدة. وبعد دراسة متأنية، يسرنا أن نعلن عن الفائز بمنحة كلية Stanford Advanced Materials لعام 2024:

تاكر إربيك
جامعة جنوب كاليفورنيا
هندسة كيميائية، طالب مبتدئ

برز بحث تاكر حول استخدام تقنية المسحوق الكروي في ترسيب الأغشية الرقيقة لتصنيع أشباه الموصلات لإبداعه وتأثيره المحتمل.

نود أن نشكر جميع الطلاب الذين قدموا أعمالهم. إن أفكاركم وجهودكم ملهمة حقًا، ونتمنى لكم كل التوفيق في مساعيكم المستقبلية.

لمزيد من التفاصيل حول برنامج المنح الدراسية والفرص المستقبلية، يرجى زيارة صفحة المنح الدراسية.

المشروع الفائز:

العنوان: تطوير وتطبيق تكنولوجيا المسحوق الكروي في ترسيب الأغشية الرقيقة

الملخص:

يقدم تطوير وتطبيق تكنولوجيا المسحوق الكروي في ترسيب الأغشية الرقيقة تقدماً كبيراً في مجال تصنيع أشباه الموصلات. يبحث هذا البحث في تأثير استخدام أهداف المسحوق الكروي، التي يتم إنتاجها من خلال إعادة صهر الكرويات ذات درجة الحرارة العالية (HRS)، مقارنةً بأهداف الألواح الصلبة التقليدية في عملية الترسيب بالرش. ومن خلال تحسين التركيب والهيكل وتقنيات الترسيب للأغشية الرقيقة ذات المساحيق الكروية، تهدف الدراسة إلى تحسين التوحيد والجودة، مما يؤدي إلى تحسينات ملحوظة في إنتاجية أشباه الموصلات. وتتضمن التجربة مقارنة منهجية للأغشية الرقيقة المودعة بمساحيق كروية مقابل الألواح الصلبة، مع التحكم في المعلمات مثل الضغط والمسافة بين الهدف والركيزة ووقت الترسيب. يتم تقييم جودة الأغشية باستخدام الفحص المجهري الإلكتروني بالمسح الضوئي (SEM) لتحليل حجم الحبيبات واتجاهها وكثافة العيوب. تشير الأبحاث العلمية إلى أن المساحيق الكروية توفر تفاعلاً أفضل للسطح وكثافة تعبئة محسنة، مما يؤدي إلى جودة أفلام فائقة مع عيوب أقل. هذه التطورات لديها القدرة على تلبية الطلب المتزايد على مواد أشباه الموصلات عالية الأداء والمساهمة في مستقبل تكنولوجيا أشباه الموصلات من خلال كفاءة التصنيع وأداء المنتج.

الخلفية:

يتضمن الترسيب إضافة طبقات رقيقة للغاية من المواد على ركيزة من مصدر معدني. ويمكن ترسيب مادة الأغشية الرقيقة على الركيزة من خلال العديد من الطرق، مثل الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) والترسيب الكيميائي للبخار (CVD) والترسيب بالطبقة الذرية (ALD) [1].

الشكل 1: (يسار) الأشكال المجهرية المجهرية لذرات النحاس خلال عملية إعادة الصهر بالكرات الذرية في درجات الحرارة العالية، (يمين) رسم تخطيطي لعملية الترسيب الذري باستخدام تقنية الترسيب الذري [4].

ينطوي الاسبطرة، وهي نوع من الترسيب الفيزيائي للبخار، على قذف أيونات عالية الطاقة على مادة مستهدفة، مما يؤدي إلى إطلاق الذرات وترسيبها على الركيزة. وتعد هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص لتصنيع أشباه الموصلات على نطاق واسع بسبب قدرتها على تحمل التكاليف والقدرة على الترسيب على مساحات كبيرة [2].

تؤثر خصائص هدف الاخرق بشكل كبير على جودة الأغشية الرقيقة. وتقليديًا، تأخذ أهداف الرش الاخرق شكل صفيحة أو قرص صلب، ولكن التطورات الأخيرة مكّنت من استخدام تقنية المسحوق الكروي في هذه العملية [3]. يمكن إعداد أهداف المسحوق الكروي عن طريق إعادة صهر المسحوق الكروي (HRS)، حيث يتم تسخين الجسيمات المعدنية في درجات حرارة أعلى بكثير من درجات حرارتها، مما يتسبب في ذوبان الجسيمات واندماجها. ثم تخضع هذه الجسيمات المسخّنة بعد ذلك لعملية كروية يتم فيها تبريدها بسرعة وتصلبها إلى أشكال كروية. ويوضح الشكل 1 عملية HRS بأكملها، بما في ذلك عملية التسخين والتبريد السريع، وكذلك التأثير على شكل الجسيمات [4].

يضمن HRS أن تكون أهداف المسحوق كروية الشكل، مما يؤدي إلى تحسينات في تجانس الأغشية الرقيقة وكثافتها [2].

المنهجية:

سيتم تصميم هذه التجربة لتحديد الفرق في جودة الأغشية الرقيقة بين أهداف المسحوق الكروي والأهداف ذات الألواح الصلبة في عملية الترسيب بالرش. يجب التحكم في المعلمات الرئيسية مثل الضغط والفرق بين الهدف والركيزة لتحديد جودة الطبقة الرقيقة بين تقنيتي الرش بالمبيدات [5]. بالإضافة إلى ذلك، يجب الحفاظ على ثبات المعالجة المسبقة للركيزة، مثل تنظيف الركيزة، لضمان أن يكون الترسيب بين التقنيتين متسقًا قدر الإمكان [6].

أثناء عملية الترسيب، يجب أن يكون وقت الترسيب ثابتًا لكلتا طريقتَي الترسيب، مما يسمح بمقارنة أسهل في سمك وتوحيد الأغشية. وبالإضافة إلى ذلك، ستكون معدلات النمو بين الطريقتين متسقة ومُحسّنة باستخدام تقنيات قياس السُمك، مثل قياس الإهليلج [6].

الشكل 2: اختبار جودة الأغشية الرقيقة بما في ذلك: إنشاء أهداف بمساحيق كروية وأقراص رقيقة، وترسيب المواد عبر آلة الاخرق وتوصيف المواد عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) [7] [8] [9]

لتعزيز موثوقية النتائج، سيتم استخدام مساحيق كروية وأقراص صلبة متعددة في التجربة. ويزيد هذا النهج من الموثوقية الإحصائية من خلال توفير المزيد من نقاط البيانات، وضمان إمكانية التكرار عبر عينات مختلفة، وتقييم الاتساق والتوحيد في عملية الاخرق.

سيتم تحليل نتائج عمليات الاخرق باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). وستقوم تقنيات SEM بتوصيف البنية المجهرية للمواد وتحديد جودة الأغشية الرقيقة المودعة [4].

النتائج:

يتطلب فهم نتائج توصيف البنية المجهرية تحليل كل من حجم الحبيبات واتجاهها. وباستخدام آلة SEM، يمكن تحليل حجم الحبيبات الفردية داخل الطبقة الرقيقة ومقارنتها بين المساحيق الكروية والألواح الصلبة التقليدية. يصور الشكل 3 صورة SEM للمقطع العرضي للفيلم الرقيق متعدد الطبقات.

الشكل 3: صورة بالمجهر الإلكتروني للمسح الضوئي (SEM) لغشاء رقيق متعدد الطبقات من الألواح الشمسية تم التقاطها بتكبير 50 ألف × باستخدام نظام Zeiss Auriga FIB-SEM [10]

التُقطت هذه الصورة بجهد إلكتروني عالي التوتر (EHT) قدره 2.00 كيلوفولت، مما يشير إلى جهد التسارع المستخدم في المجهر الإلكتروني SEM، بالإضافة إلى مسافة بين العينة ومسدس الإلكترون عند 5.0 مم بتكبير 50,000x [10].

يمكن استخلاص معلومات حول البنية المجهرية للعينة وحدود الحبيبات عند هذا التكبير، مما يساعد على تحديد جودة الطبقة الرقيقة. في الشكل 3، يمكن ملاحظة حدود الحبيبات بسبب الواجهات المميزة بين المواد. تشير الواجهة الملساء إلى أن المادة المستهدفة كان لها التصاق قوي بالركيزة أثناء عملية الترسيب.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكشف تحليل SEM للمساحيق الكروية والأغشية الرقيقة ذات القاعدة الصلبة عن معلومات مهمة حول العيوب المحتملة في الطبقة الرقيقة. فقد تشير البقع الداكنة أو المناطق الأقل كثافة من بقية الفيلم إلى وجود عيوب نشأت أثناء عملية الترسيب.
ومن خلال تحليل الأغشية الرقيقة من خلال الفحص المجهري الإلكتروني بالمسح الضوئي (SEM)، من المتوقع أن تسفر تقنيات المسحوق الكروي عن نتائج إيجابية. يمكن أن تُعزى الحدود الملساء التي لوحظت في هذه الأفلام إلى خصائص الالتصاق المحسّنة المتأصلة في أهداف المسحوق الكروي. ويرجع ذلك على الأرجح إلى تحسين التفاعل السطحي والترسيب المنتظم الذي يوفره الشكل الكروي للمساحيق. وعلاوة على ذلك، من المتوقع أن تقلل كثافة التعبئة المتزايدة للمساحيق الكروية من حدوث العيوب، مما يساهم في الجودة الشاملة للأغشية الرقيقة واتساقها. وهذا ما يجعل المساحيق الكروية مادة واعدة للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية وتوحيدًا في ترسيب الأغشية الرقيقة [5].

الآثار المحتملة:

تعد الأغشية الرقيقة عالية الجودة ضرورية لأداء وموثوقية المعالجات وأجهزة الذاكرة المتقدمة [11]. ستساعد ابتكارات المسحوق الكروي في ضمان تلبية الأفلام الرقيقة عالية الجودة للمتطلبات العالمية والمحلية لأشباه الموصلات.

وتترتب على جودة الأغشية الرقيقة آثار في العديد من الصناعات. فعلى سبيل المثال، من المتوقع أن يتوسع الطلب في السوق على أشباه الموصلات في صناعة السيارات الكهربائية، على سبيل المثال، من 2.33 مليار دولار إلى 8.3 مليار دولار بين عامي 2024-2029.

الشكل 4: زيادة الطلب في السوق على أشباه الموصلات في سوق السيارات الكهربائية (EV) في الفترة من 2020-2029 [12].

سيؤدي الترسيب القائم على المسحوق الكروي إلى زيادة جودة أشباه الموصلات، مما يسهل تلبية الطلب المتزايد. ويضمن التوحيد والدقة اللذان توفرهما المساحيق الكروية أن تكون الأغشية الرقيقة المنتجة ذات جودة عالية، وهو أمر ضروري لتطبيقات أشباه الموصلات المتقدمة [5].

علاوة على ذلك، تعد تكنولوجيا المساحيق الكروية بتعزيز مرونة وأمن سلسلة توريد أشباه الموصلات. تؤكد الاضطرابات التي حدثت خلال جائحة كوفيد-19، والتي أثرت بشكل كبير على إنتاج المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات (BEVs) بسبب نقص أشباه الموصلات، على أهمية وجود سلسلة توريد مستقرة وفعالة [13]. يعد تحسين الإنتاجية أمرًا محوريًا للتغلب على مشكلات سلسلة التوريد: فقد وجدت دراسة حالة أجرتها شركة ماكنزي آند كومباني في عام 2018 أن إحدى شركات أشباه الموصلات الكبرى كانت تخسر ما يقرب من 68 مليون دولار بسبب خسائر الإنتاجية عبر الخطوات الثماني الرئيسية لعملية إنتاج أشباه الموصلات [14].

من خلال تحسين إنتاجية واتساق الرقائق الوظيفية، لا تعالج تقنية المسحوق الكروي تحديات سلسلة التوريد الحالية فحسب، بل تدعم أيضًا التطورات التكنولوجية المستقبلية ونمو الصناعة. وعلى هذا النحو، تمثل هذه التقنية خطوة حاسمة نحو ضمان توفير إمدادات قوية وموثوقة من المواد الإلكترونية عالية الأداء للمستقبل [5].

السيرة الذاتية

تاكر إربيك طالب مبتدئ يدرس الهندسة الكيميائية مع التركيز على علوم المواد في جامعة جنوب كاليفورنيا. وقد أكمل مؤخرًا فترة تدريب في مختبر جون أوبراين للتصنيع النانوي في كاليفورنيا DREAMS، حيث تلقى تدريبًا شاملاً في مجال تصنيع الإلكترونيات الدقيقة، بما في ذلك تقنيات الأغشية الرقيقة. يطمح تاكر إلى أن يصبح عالم مواد، مع التركيز على تطوير جديد يعزز الأداء وكفاءة الطاقة للجيل القادم من أشباه الموصلات.

الأعمال المذكورة

[1]E. تشين، https://www.mrsec.harvard.edu/education/ap298r2004/Erli%20chenFabrication%20II%20-%20Deposition-1.pdf

[2] "نظرة عامة على المساحيق الكروية |مواد التصنيع المضافة"، am-material.com، 27 أكتوبر 2023. https://am-material.com/news/spherical-powders-a-complete-guide/

[3]F. M. Mwema, E. T. Akinlabi, O. P. Oladijo, and A. D. Baruwa, "التطورات في التقنيات القائمة على المسحوق لإنتاج أهداف الرش عالية الأداء" Materials Performance and Characterization, vol. 9, no. 4، ص. 528-542، سبتمبر 2020، doi: https://doi. org/10.1520/mpc20190160.

[4]Q. Bao, Y. Y. Yang, X. Wen, L. Guo, and Z. Guo, "The preparation of spheroidization spheroidization spheroidization باستخدام تقنية إعادة الصهر ذات درجة الحرارة العالية" Materials & Design, vol. 199, p. 109382, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109382.

[5]S. Yu و Y. Zhao و G. Zhao و Q. Liu و B. Yao و H. Liu، "مراجعة تكنولوجيا التحضير وخصائص المساحيق الكروية"، المجلة الدولية لتكنولوجيا التصنيع المتقدمة ، المجلد. 132, no. 3-4، ص. 1053-1069، مارس 2024، doi: https://doi. org/10.1007/s00170-024-13442-w.

[6]C. Linke، "ربط البنية المجهرية المستهدفة بأداء الاخرق"، وقائع المؤتمر التقني السنوي ، المجلد 60، أبريل 2018، doi: https://doi.org/10.14332/svc17.proc.42840.

[7]"نظام الاخرق CS-200 - المكتب التمثيلي لشركة أولفاك فيتنام"، المكتب التمثيلي لشركة أولفاك فيتنام، 09 سبتمبر 2021. https://ulvac.com. vn/en/product/vacuum-equipments/sputtering-system/cs-200-series/ (تم الدخول إليه في 30 أغسطس 2024).

[8] "المجهر الإلكتروني الماسح الضوئي (SEM) | المنتجات | JEOL Ltd."، "المجهر الإلكتروني الماسح (SEM ) | المنتجات | JEOL Ltd. https://www.jeol. com/products/scientific/sem/

[9] بوتقة الجرافيت البيروليتية، "بوتقة الجرافيت البيرول يتية | Stanford Advanced Materials", المورد العالمي لأهداف الاخرق ومواد التبخير | Stanford Advanced Materials, 20 أغسطس 2018. https://www.sputtertargets. net/pyrolytic-graphite-crucible.html (تم الدخول إليه في 30 أغسطس 2024).

[10]W. Sun، وF. Duan، وJ. Zhu، وM. Yang، وY. Wang، "خوارزمية كشف الحواف لصور SEM للأغشية الرقيقة متعددة الطبقات"، الطلاء، المجلد 14، رقم. 3, p. 313, Mar. 2024, doi: https://doi.org/10. 3390/coatings14030313.