اعتبارات رئيسية لإعداد بلورة أحادية من كربيد السيليكون عالية الجودة

تشمل الطرق الرئيسية لتحضير بلورة السيليكون المفردة: النقل الفيزيائي للبخار (PVT)، ونمو المحلول العلوي (TSSG)، والترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HT-CVD). ومن بين هذه الطرق، تُستخدم طريقة النقل الفيزيائي للبخار (PVT) على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي نظرًا لبساطة معداتها وسهولة التحكم فيها وانخفاض تكاليف المعدات والتشغيل.

النقاط الفنية الرئيسية لنمو PVT لبلورات كربيد السيليكون

عند زراعة بلورات كربيد السيليكون باستخدام طريقة النقل البخاري الفيزيائي (PVT)، يجب مراعاة الجوانب الفنية التالية:

1. نقاء مواد الجرافيت في حجرة النمو: يجب أن يكون محتوى الشوائب في مكونات الجرافيت أقل من 5×10⁻⁶، بينما يجب أن يكون محتوى الشوائب في لباد العزل أقل من 10×10⁻⁶. يجب الحفاظ على نقاء عناصر مثل البورون والألومنيوم أقل من 0.1×10⁻⁶.
2. اختيار قطبية بلورة البذرة الصحيحة: تظهر الدراسات التجريبية أن وجه C (0001) مناسب لنمو بلورات 4H-SiC، بينما يستخدم وجه Si (0001) لنمو بلورات 6H-SiC.
3. استخدام بلورات البذور خارج المحور: يمكن أن تعمل بلورات البذور خارج المحور على تغيير تناسق نمو البلورة، مما يقلل من العيوب في البلورة.
4. عملية ربط بلورات البذور عالية الجودة.
5. الحفاظ على استقرار واجهة نمو البلورة أثناء دورة النمو.

التقنيات الرئيسية لنمو بلورات كربيد السيليكون

1. تقنية المنشطات لمسحوق كربيد السيليكون
   يُمكن لتشويب مسحوق كربيد السيليكون بكمية مناسبة من Ce تثبيت نمو بلورات 4H-SiC الأحادية. تُظهر النتائج العملية أن تشويب Ce يُمكنه:

• زيادة معدل نمو بلورات كربيد السيليكون.
• التحكم في اتجاه نمو البلورات، مما يجعلها أكثر تجانسًا وانتظامًا.
• منع تكوين الشوائب، وتقليل العيوب وتسهيل إنتاج بلورات أحادية البلورة وعالية الجودة.
• منع التآكل الخلفي للبلورة وتحسين إنتاج البلورة الفردية.

• تقنية التحكم في التدرج الحراري المحوري والقطري
  يؤثر التدرج الحراري المحوري بشكل أساسي على نوع وفعالية نمو البلورات. قد يؤدي انخفاض التدرج الحراري بشكل مفرط إلى تكوين بلورات متعددة، مما يُقلل من معدلات النمو. يُسهّل التدرج الحراري المحوري والشعاعي المناسب نمو بلورات SiC بسرعة، مع الحفاظ على جودة البلورات مستقرة.
• تقنية التحكم في خلع المستوى القاعدي (BPD)
  تنشأ عيوب BPD بشكل رئيسي عندما يتجاوز إجهاد القص في البلورة إجهاد القص الحرج لـ SiC، مما يُفعّل أنظمة الانزلاق. ولأن عيوب BPD عمودية على اتجاه نمو البلورة، فإنها تتشكل بشكل أساسي أثناء نمو البلورة وتبريدها.
• تقنية تعديل نسبة تركيب الطور البخاري
  تُعد زيادة نسبة الكربون إلى السيليكون في بيئة النمو إجراءً فعالاً لاستقرار نمو البلورات المفردة. فارتفاع نسبة الكربون إلى السيليكون يُقلل من التكتل التدريجي الكبير، ويحافظ على معلومات نمو سطح بلورات البذور، ويُثبط تكوين النمط المتعدد.
• تقنية التحكم في الإجهاد المنخفض
  يمكن أن يُسبب الإجهاد أثناء نمو البلورات انحناءً في مستوياتها، مما يؤدي إلى ضعف جودتها أو حتى تشققها. كما يزيد الإجهاد العالي من خلع المستوى القاعدي، مما قد يؤثر سلبًا على جودة الطبقة الفوقية وأداء الجهاز.

صورة مسح رقاقة SiC مقاس 6 بوصات

طرق تقليل الضغط على البلورات:

• ضبط توزيع مجال درجة الحرارة ومعلمات العملية لتمكين النمو شبه المتوازن لبلورات SiC الفردية.
• تحسين بنية البوتقة للسماح بنمو البلورات الحرة مع الحد الأدنى من القيود.
• عدّل تقنيات تثبيت بلورات البذور لتقليل عدم تطابق التمدد الحراري بين بلورة البذور وحامل الجرافيت. النهج الشائع هو ترك مسافة ٢ مم بين بلورة البذور وحامل الجرافيت.
• تحسين عمليات التلدين من خلال تنفيذ التلدين في الفرن داخل الموقع، وضبط درجة حرارة التلدين ومدته لتحرير الضغط الداخلي بالكامل.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا نمو بلورات كربيد السيليكون

وبالنظر إلى المستقبل، سوف تتطور تكنولوجيا تحضير بلورات SiC المفردة عالية الجودة في الاتجاهات التالية:

1. النمو على نطاق واسع
   تطور قطر بلورات كربيد السيليكون الأحادية من بضعة مليمترات إلى أحجام 6 و8 و12 بوصة، بل وحتى أكبر. تُحسّن بلورات كربيد السيليكون ذات القطر الكبير كفاءة الإنتاج، وتُخفّض التكاليف، وتُلبي متطلبات الأجهزة عالية الطاقة.
2. النمو عالي الجودة
   تُعد بلورات SiC الأحادية عالية الجودة أساسيةً للأجهزة عالية الأداء. ورغم التقدم الكبير المحرز، لا تزال عيوبٌ مثل الأنابيب الدقيقة والاختلالات والشوائب موجودة، مما يؤثر على أداء الأجهزة وموثوقيتها.
3. خفض التكاليف
   إن التكلفة العالية لتحضير بلورات كربيد السيليكون (SiC) تحد من استخدامها في بعض المجالات. ويمكن أن يُسهم تحسين عمليات النمو، وتحسين كفاءة الإنتاج، وخفض تكاليف المواد الخام في خفض تكاليف الإنتاج.
4. النمو الذكي
   مع التقدم في الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، ستعتمد تقنية نمو بلورات كربيد السيليكون (SiC) بشكل متزايد على الحلول الذكية. ستعزز المراقبة والتحكم الفوري باستخدام المستشعرات والأنظمة الآلية استقرار العملية وإمكانية التحكم بها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لتحليلات البيانات الضخمة تحسين معايير النمو، مما يُحسّن جودة البلورات وكفاءة الإنتاج.

تُعدّ تقنية تحضير بلورات كربيد السيليكون الأحادية عالية الجودة محورًا رئيسيًا في أبحاث مواد أشباه الموصلات. ومع تقدم التكنولوجيا، ستستمر تقنيات نمو بلورات كربيد السيليكون في التطور، مما يوفر أساسًا متينًا للتطبيقات في مجالات درجات الحرارة العالية والترددات العالية والطاقة العالية.