ما هو نمو كريستال كربيد السيليكون؟

تقترب كربيد | مبدأ نمو كريستال كربيد السيليكون

في الطبيعة، البلورات موجودة في كل مكان، وتوزيعها وتطبيقها واسع النطاق للغاية. والبلورات المختلفة لها هياكل وخصائص وطرق تحضير مختلفة. لكن السمة المشتركة بينهما هي أن الذرات الموجودة في البلورة يتم ترتيبها بانتظام، ثم يتم تشكيل الشبكة ذات البنية المحددة من خلال التراص الدوري في الفضاء ثلاثي الأبعاد. ولذلك، فإن مظهر المواد البلورية عادة ما يقدم شكلا هندسيا منتظما.

تعتبر مادة الركيزة البلورية المفردة من كربيد السيليكون (المشار إليها فيما يلي باسم الركيزة SiC) أيضًا نوعًا من المواد البلورية. إنها تنتمي إلى مادة أشباه الموصلات واسعة النطاق، ولها مزايا مقاومة الجهد العالي، ومقاومة درجات الحرارة العالية، والتردد العالي، والخسارة المنخفضة، وما إلى ذلك. وهي مادة أساسية لإعداد الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة وأجهزة الترددات اللاسلكية للميكروويف.

الهيكل البلوري لـ SiC

SiC عبارة عن مادة شبه موصلة مركبة IV-IV مكونة من الكربون والسيليكون بنسبة متكافئة تبلغ 1:1، وصلابتها تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس.

تحتوي ذرات الكربون والسيليكون على 4 إلكترونات تكافؤ، والتي يمكن أن تشكل 4 روابط تساهمية. الوحدة الهيكلية الأساسية لبلورة SiC، رباعي السطوح SiC، تنشأ من الرابطة الرباعية السطوح بين ذرات السيليكون والكربون. الرقم التنسيقي لكل من ذرات السيليكون والكربون هو 4، أي أن كل ذرة كربون حولها 4 ذرات سيليكون وكل ذرة سيليكون حولها أيضًا 4 ذرات كربون.

باعتبارها مادة بلورية، تتميز ركيزة SiC أيضًا بخاصية التراص الدوري للطبقات الذرية. يتم تكديس الطبقات ثنائية الذرة Si-C على طول الاتجاه [0001]. نظرًا للاختلاف البسيط في طاقة الرابطة بين الطبقات، يتم إنشاء أوضاع اتصال مختلفة بسهولة بين الطبقات الذرية، مما يؤدي إلى أكثر من 200 نوع متعدد من SiC. تشمل الأنواع المتعددة الشائعة 2H-SiC، و3C-SiC، و4H-SiC، و6H-SiC، و15R-SiC، وما إلى ذلك. ومن بينها، يسمى تسلسل التراص بترتيب "ABCB" بالأنواع المتعددة 4H. على الرغم من أن الأنواع المتعددة من SiC لها نفس التركيب الكيميائي، إلا أن خواصها الفيزيائية، وخاصة عرض فجوة النطاق، وتنقل الموجة الحاملة وخصائص أخرى مختلفة تمامًا. وتعد خصائص النوع المتعدد 4H أكثر ملاءمة لتطبيقات أشباه الموصلات.

2H-كربيد

4H-كربيد

6H-كربيد

تؤثر معلمات النمو مثل درجة الحرارة والضغط بشكل كبير على استقرار 4H-SiC أثناء عملية النمو. ولذلك، من أجل الحصول على مادة بلورية واحدة ذات جودة عالية وتوحيد، يجب التحكم بدقة في المعلمات مثل درجة حرارة النمو وضغط النمو ومعدل النمو أثناء التحضير.

طريقة تحضير SiC: طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT)

في الوقت الحاضر، طرق تحضير كربيد السيليكون هي طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT)، وطريقة ترسيب البخار الكيميائي ذو درجة الحرارة العالية (HTCVD)، وطريقة الطور السائل (LPE). وPVT هي الطريقة السائدة المناسبة للإنتاج الصناعي الضخم.

( أ ) رسم تخطيطي لطريقة نمو PVT لكرات SiC و 

(ب) تصور ثنائي الأبعاد لنمو PVT لتصوير التفاصيل الرائعة حول التشكل وواجهة وظروف النمو البلوري

أثناء نمو PVT، يتم وضع بلورة بذور SiC أعلى البوتقة بينما يتم وضع المادة المصدر (مسحوق SiC) في الأسفل. في بيئة مغلقة ذات درجة حرارة عالية وضغط منخفض، يتسامى مسحوق SiC، ثم ينتقل للأعلى إلى الفضاء القريب من البذرة تحت تأثير التدرج في درجة الحرارة وفرق التركيز. وسوف يتم إعادة بلورته بعد الوصول إلى حالة التشبع الزائد. من خلال هذه الطريقة، يمكن التحكم في حجم ونوع بلورة SiC.

ومع ذلك، تتطلب طريقة PVT الحفاظ على ظروف النمو المناسبة طوال عملية النمو بأكملها، وإلا فإنها ستؤدي إلى اضطراب الشبكة وتشكل عيوب غير مرغوب فيها. علاوة على ذلك، يتم إكمال نمو بلورات SiC في مكان مغلق مع طرق مراقبة محدودة والعديد من المتغيرات، وبالتالي يكون التحكم في العملية صعبًا.

الآلية الرئيسية لنمو بلورة واحدة: نمو التدفق التدريجي

في عملية تنمية بلورات SiC بطريقة PVT، يعتبر نمو التدفق التدريجي هو الآلية الرئيسية لتشكيل بلورات مفردة. سترتبط ذرات Si وC المتبخرة بشكل تفضيلي مع الذرات الموجودة على السطح البلوري عند الخطوات والالتواءات، حيث تتنوى وتنمو، بحيث تتدفق كل خطوة للأمام بالتوازي. عندما يكون العرض بين كل خطوة على سطح النمو أكبر بكثير من المسار الحر للانتشار للذرات الممتزة، قد يتجمع عدد كبير من الذرات الممتزة، وتشكل جزيرة ثنائية الأبعاد، مما سيؤدي إلى تدمير وضع نمو التدفق التدريجي، مما يؤدي إلى في تكوين أنواع متعددة أخرى بدلاً من 4H. لذلك، يهدف تعديل معلمات العملية إلى التحكم في بنية الخطوة على سطح النمو، وذلك لمنع تكوين أنواع متعددة غير مرغوب فيها، وتحقيق هدف الحصول على هيكل بلوري فردي 4H، وأخيرًا إعداد بلورات عالية الجودة.

خطوة نمو التدفق لبلورة واحدة

يعد نمو البلورة مجرد خطوة أولى لإعداد ركيزة SiC عالية الجودة. قبل أن يتم استخدامها، تحتاج سبيكة 4H-SiC إلى المرور عبر سلسلة من العمليات مثل التقطيع، واللف، والميلا، والتلميع، والتنظيف والفحص. باعتبارها مادة صلبة ولكن هشة، فإن بلورة SiC المفردة لديها أيضًا متطلبات فنية عالية لخطوات الرقاقة. أي ضرر ناتج عن كل عملية قد يكون له وراثة معينة، وينتقل إلى العملية التالية ويؤثر في النهاية على جودة المنتج. لذلك، فإن تقنية الرقاقة الفعالة لركيزة SiC تجذب أيضًا انتباه الصناعة.