تشمل الطرق الرئيسية لتنمية بلورات كربيد السيليكون المفردة النقل الفيزيائي للبخار (PVT)، ونمو المحلول الأعلى (TSSG)، والترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HT-CVD).

ومن بين هذه الطرق، أصبحت طريقة PVT هي التقنية الأساسية للإنتاج الصناعي بسبب إعداد المعدات البسيط نسبيًا، وسهولة التشغيل والتحكم، وانخفاض تكاليف المعدات والتشغيل.

---

النقاط الفنية الرئيسية لنمو بلورات SiC باستخدام طريقة PVT

لتنمية بلورات كربيد السيليكون باستخدام طريقة PVT، يجب التحكم بعناية في العديد من الجوانب الفنية:

1. نقاء مواد الجرافيت في المجال الحراري
   يجب أن تستوفي مواد الجرافيت المستخدمة في مجال نمو البلورات الحراري متطلبات نقاء صارمة. يجب أن يكون محتوى الشوائب في مكونات الجرافيت أقل من 5×10⁻⁶، وفي لبادات العزل أقل من 10×10⁻⁶. وبشكل أكثر تحديدًا، يجب أن يكون محتوى كل من البورون (B) والألومنيوم (Al) أقل من 0.1×10⁻⁶.

2. القطبية الصحيحة للبلورة البذرية
   تظهر البيانات التجريبية أن الوجه C (0001) مناسب لنمو بلورات 4H-SiC، في حين أن الوجه Si (0001) مناسب لنمو 6H-SiC.

3. استخدام بلورات البذور خارج المحور
   يمكن للبذور خارج المحور تغيير تناسق النمو وتقليل عيوب البلورات وتعزيز جودة البلورات بشكل أفضل.

4. تقنية ربط بلورات البذور الموثوقة
   يعد الترابط الصحيح بين بلورة البذرة والحامل أمرًا ضروريًا لتحقيق الاستقرار أثناء النمو.

5. الحفاظ على استقرار واجهة النمو
   خلال دورة نمو البلورة بأكملها، يجب أن تظل واجهة النمو مستقرة لضمان تطوير بلورة عالية الجودة.

 

---

التقنيات الأساسية في نمو بلورات SiC

1. تقنية المنشطات لمسحوق SiC

يُمكن لتشويب مسحوق كربيد السيليكون (SiC) بالسيريوم (Ce) تثبيت نمو نوع واحد من البوليمرات، مثل كربيد السيليكون (4H-SiC). وقد أثبتت التجربة أن تشويب السيريوم (Ce) يُمكنه:

• زيادة معدل نمو بلورات SiC؛

• تحسين اتجاه البلورة لتحقيق نمو أكثر تجانسًا واتجاهًا؛

• تقليل الشوائب والعيوب؛

• منع التآكل الخلفي للبلورة؛

• تعزيز معدل إنتاج البلورة الفردية.

2. التحكم في التدرجات الحرارية المحورية والشعاعية

تؤثر تدرجات الحرارة المحورية على تعدد أنواع البلورات ومعدل نموها. قد يؤدي انخفاض التدرج إلى تشوهات في تعدد الأنواع وانخفاض نقل المواد في الطور البخاري. يُعد تحسين كل من التدرجات المحورية والشعاعية أمرًا بالغ الأهمية لنمو بلوري سريع ومستقر بجودة ثابتة.

3. تقنية التحكم في خلع المستوى القاعدي (BPD)

تتشكل BPDs بشكل رئيسي نتيجة إجهاد القص الذي يتجاوز الحد الحرج في بلورات SiC، مما يُفعّل أنظمة الانزلاق. ولأن BPDs عمودية على اتجاه النمو، فإنها تنشأ عادةً أثناء نمو البلورات وتبريدها. يمكن أن يُقلل تقليل الإجهاد الداخلي بشكل كبير من كثافة BPDs.

4. التحكم في نسبة تركيب الطور البخاري

تُعد زيادة نسبة الكربون إلى السيليكون في الطور البخاري طريقةً مثبتةً لتعزيز نمو النمط المتعدد الأحادي. تُقلل نسبة الكربون/السيليكون المرتفعة من تكتل الخطوات الكبيرة، وتحافظ على وراثة السطح من بلورة البذرة، مما يمنع تكوين أنماط متعددة غير مرغوب فيها.

5. تقنيات النمو منخفضة التوتر

قد يؤدي الإجهاد أثناء نمو البلورات إلى انحناء مستويات الشبكة، وشقوق، وارتفاع كثافة BPD. يمكن أن تنتقل هذه العيوب إلى الطبقات الفوقية، وتؤثر سلبًا على أداء الجهاز.

تتضمن العديد من الاستراتيجيات لتقليل الضغط الداخلي على البلورات ما يلي:

• ضبط توزيع المجال الحراري ومعلمات العملية لتعزيز النمو شبه المتوازن؛

• تحسين تصميم البوتقة للسماح للبلورة بالنمو بحرية دون قيود ميكانيكية؛

• تحسين تكوين حامل البذور لتقليل عدم التوافق في التمدد الحراري بين البذرة والجرافيت أثناء التسخين، غالبًا عن طريق ترك فجوة بمقدار 2 مم بين البذرة والحامل؛

• تحسين عمليات التلدين، مما يسمح للبلورة بالتبريد باستخدام الفرن، وضبط درجة الحرارة والمدة لتخفيف الضغط الداخلي بشكل كامل.

---

الاتجاهات في تكنولوجيا نمو بلورات SiC

1. أحجام بلورات أكبر
ازدادت أقطار بلورات SiC الأحادية من بضعة مليمترات إلى رقائق بأحجام 6 و8 و12 بوصة. تُعزز الرقائق الأكبر كفاءة الإنتاج وتُقلل التكاليف، مع تلبية متطلبات تطبيقات الأجهزة عالية الطاقة.

2. جودة كريستال أعلى
تُعد بلورات SiC عالية الجودة أساسية للأجهزة عالية الأداء. ورغم التحسينات الكبيرة، لا تزال البلورات الحالية تعاني من عيوب مثل الأنابيب الدقيقة والانخلاعات والشوائب، والتي قد تؤثر سلبًا على أداء الجهاز وموثوقيته.

3. خفض التكاليف
لا يزال إنتاج بلورات كربيد السيليكون مكلفًا نسبيًا، مما يحد من انتشارها. يُعدّ خفض التكاليف من خلال تحسين عمليات النمو، وزيادة كفاءة الإنتاج، وخفض تكاليف المواد الخام أمرًا بالغ الأهمية لتوسيع نطاق تطبيقات السوق.

4. التصنيع الذكي
مع التقدم في تقنيات الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، يتجه نمو بلورات كربيد السيليكون (SiC) نحو عمليات ذكية وآلية. تستطيع المستشعرات وأنظمة التحكم مراقبة ظروف النمو وتعديلها آنيًا، مما يُحسّن استقرار العملية وإمكانية التنبؤ بها. كما يُمكن لتحليلات البيانات تحسين معايير العملية وجودة البلورات بشكل أكبر.

يُعد تطوير تقنية نمو بلورات SiC أحادية عالية الجودة محورًا رئيسيًا في أبحاث مواد أشباه الموصلات. ومع تقدم التكنولوجيا، ستستمر أساليب نمو البلورات في التطور والتحسن، مما يوفر أساسًا متينًا لتطبيقات SiC في الأجهزة الإلكترونية عالية الحرارة والتردد والطاقة.