تشمل الطرق الرئيسية لإنتاج بلورات كربيد السيليكون الأحادية النقل الفيزيائي للبخار (PVT)، والنمو من المحلول المزروع من الأعلى (TSSG)، والترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HT-CVD).
من بين هؤلاء، PVT هي الطريقة الأكثر استخدامًا في الإنتاج الصناعي نظرًا لإعداد المعدات البسيط نسبيًا، وسهولة التحكم، وانخفاض تكاليف المعدات والتشغيل.
عند زراعة بلورات SiC أحادية باستخدام طريقة PVT، فإن الجوانب الفنية التالية حاسمة:
يجب أن تفي مادة الجرافيت المستخدمة في المجال الحراري بمتطلبات النقاء الصارمة. يجب أن يكون محتوى الشوائب في أجزاء الجرافيت أقل من 5 × 10⁻⁶، بينما يجب أن تكون اللباد العازلة أقل من 10 × 10⁻⁶. على وجه الخصوص، يجب أن يكون محتوى البورون (B) والألومنيوم (Al) أقل من 0.1 × 10⁻⁶.
أظهرت التجارب أن وجه C (0001) مناسب لزراعة 4H-SiC، بينما يستخدم وجه Si (0001) لنمو 6H-SiC.
تساعد البذور خارج المحور على كسر تناظر النمو وتقليل العيوب في البلورة الناتجة.
يعتبر الربط الموثوق به بين البلورة البذرية والركيزة أمرًا ضروريًا للنمو المستقر.
طوال دورة النمو، من الضروري الحفاظ على استقرار واجهة نمو البلورة لضمان جودة موحدة.
تكنولوجيا التشويب في مسحوق SiC
يعزز تشويب مسحوق كربيد السيليكون بالسيريوم (Ce) النمو المستقر لـ 4H-SiC متعدد الأشكال. يمكن لهذه التقنية:
زيادة معدل النمو؛
تعزيز التوجه البلوري؛
قمع إدخال الشوائب وتكوين العيوب؛
تحسين إنتاجية البلورات عالية الجودة؛
منع التآكل الخلفي وزيادة أحادية البلورة.
التحكم في التدرج الحراري المحوري والشعاعي
يؤثر التدرج المحوري بشكل كبير على شكل البلورة وكفاءة النمو. قد يؤدي التدرج الصغير جدًا إلى خلط متعدد الأشكال وتقليل نقل البخار. تدعم التدرجات المحورية والشعاعية المثالية النمو السريع والمستقر للبلورات.
التحكم في إزاحة المستوى القاعدي (BPD)
تنشأ BPDs عندما يتجاوز إجهاد القص الداخلي العتبة الحرجة، عادة أثناء النمو والتبريد. يعد التحكم في هذه الضغوط أمرًا أساسيًا لتقليل عيوب BPD.
التحكم في نسبة تكوين الطور الغازي
تساعد زيادة نسبة الكربون إلى السيليكون في الطور الغازي على استقرار النمو أحادي الشكل وتمنع تكتل الخطوات الكبيرة، وبالتالي قمع تكوين متعدد الأشكال.
تقنيات نمو البلورات منخفضة الإجهاد
يمكن أن يؤدي الإجهاد الداخلي إلى تشوه الشبكة، وتشقق البلورات، وزيادة كثافة التشوه، وكلها تقلل من جودة البلورات وأداء الأجهزة اللاحقة. يمكن تخفيف الإجهاد من خلال:
تحسين المجال الحراري والعملية للنمو شبه المتوازن؛
إعادة تصميم هيكل البوتقة للسماح بتمدد البلورات بحرية؛
تحسين طرق تركيب البذور عن طريق ترك فجوة 2 مم بين البذرة وحامل الجرافيت لتقليل عدم تطابق التمدد الحراري؛
تلدين البلورة في الفرن لتحرير الإجهاد المتبقي، مع تعديل دقيق لدرجة الحرارة والمدة.
حجم البلورة الأكبر
نما قطر بلورات SiC الأحادية من بضعة ملليمترات إلى رقائق 6 بوصات و 8 بوصات وحتى 12 بوصة. يؤدي التوسع إلى تحسين كفاءة الإنتاج وتقليل التكلفة لكل وحدة وتلبية احتياجات الأجهزة عالية الطاقة.
جودة البلورات الأعلى
في حين أن البلورات الحالية قد تحسنت بشكل كبير، إلا أن التحديات لا تزال قائمة مثل الأنابيب الدقيقة والتشوهات والشوائب. يعد التخلص من هذه العيوب أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أجهزة عالية الأداء.
تخفيض التكلفة
تعد التكلفة المرتفعة لنمو بلورات SiC عائقًا أمام الاعتماد على نطاق واسع. يعد تقليل التكاليف من خلال تحسين العمليات، وتحسين استخدام الموارد، والمواد الخام الأرخص، مجالًا رئيسيًا للبحث.
التصنيع الذكي
مع التقدم في الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، يلوح في الأفق نمو البلورات الذكي. يمكن لأجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم الآلية مراقبة الظروف وتعديلها في الوقت الفعلي، مما يحسن الاستقرار وقابلية التكرار. يمكن لتحليلات البيانات أن تزيد من تحسين العملية لتعزيز الإنتاجية والجودة.
تشمل الطرق الرئيسية لإنتاج بلورات كربيد السيليكون الأحادية النقل الفيزيائي للبخار (PVT)، والنمو من المحلول المزروع من الأعلى (TSSG)، والترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HT-CVD).
من بين هؤلاء، PVT هي الطريقة الأكثر استخدامًا في الإنتاج الصناعي نظرًا لإعداد المعدات البسيط نسبيًا، وسهولة التحكم، وانخفاض تكاليف المعدات والتشغيل.
عند زراعة بلورات SiC أحادية باستخدام طريقة PVT، فإن الجوانب الفنية التالية حاسمة:
يجب أن تفي مادة الجرافيت المستخدمة في المجال الحراري بمتطلبات النقاء الصارمة. يجب أن يكون محتوى الشوائب في أجزاء الجرافيت أقل من 5 × 10⁻⁶، بينما يجب أن تكون اللباد العازلة أقل من 10 × 10⁻⁶. على وجه الخصوص، يجب أن يكون محتوى البورون (B) والألومنيوم (Al) أقل من 0.1 × 10⁻⁶.
أظهرت التجارب أن وجه C (0001) مناسب لزراعة 4H-SiC، بينما يستخدم وجه Si (0001) لنمو 6H-SiC.
تساعد البذور خارج المحور على كسر تناظر النمو وتقليل العيوب في البلورة الناتجة.
يعتبر الربط الموثوق به بين البلورة البذرية والركيزة أمرًا ضروريًا للنمو المستقر.
طوال دورة النمو، من الضروري الحفاظ على استقرار واجهة نمو البلورة لضمان جودة موحدة.
تكنولوجيا التشويب في مسحوق SiC
يعزز تشويب مسحوق كربيد السيليكون بالسيريوم (Ce) النمو المستقر لـ 4H-SiC متعدد الأشكال. يمكن لهذه التقنية:
زيادة معدل النمو؛
تعزيز التوجه البلوري؛
قمع إدخال الشوائب وتكوين العيوب؛
تحسين إنتاجية البلورات عالية الجودة؛
منع التآكل الخلفي وزيادة أحادية البلورة.
التحكم في التدرج الحراري المحوري والشعاعي
يؤثر التدرج المحوري بشكل كبير على شكل البلورة وكفاءة النمو. قد يؤدي التدرج الصغير جدًا إلى خلط متعدد الأشكال وتقليل نقل البخار. تدعم التدرجات المحورية والشعاعية المثالية النمو السريع والمستقر للبلورات.
التحكم في إزاحة المستوى القاعدي (BPD)
تنشأ BPDs عندما يتجاوز إجهاد القص الداخلي العتبة الحرجة، عادة أثناء النمو والتبريد. يعد التحكم في هذه الضغوط أمرًا أساسيًا لتقليل عيوب BPD.
التحكم في نسبة تكوين الطور الغازي
تساعد زيادة نسبة الكربون إلى السيليكون في الطور الغازي على استقرار النمو أحادي الشكل وتمنع تكتل الخطوات الكبيرة، وبالتالي قمع تكوين متعدد الأشكال.
تقنيات نمو البلورات منخفضة الإجهاد
يمكن أن يؤدي الإجهاد الداخلي إلى تشوه الشبكة، وتشقق البلورات، وزيادة كثافة التشوه، وكلها تقلل من جودة البلورات وأداء الأجهزة اللاحقة. يمكن تخفيف الإجهاد من خلال:
تحسين المجال الحراري والعملية للنمو شبه المتوازن؛
إعادة تصميم هيكل البوتقة للسماح بتمدد البلورات بحرية؛
تحسين طرق تركيب البذور عن طريق ترك فجوة 2 مم بين البذرة وحامل الجرافيت لتقليل عدم تطابق التمدد الحراري؛
تلدين البلورة في الفرن لتحرير الإجهاد المتبقي، مع تعديل دقيق لدرجة الحرارة والمدة.
حجم البلورة الأكبر
نما قطر بلورات SiC الأحادية من بضعة ملليمترات إلى رقائق 6 بوصات و 8 بوصات وحتى 12 بوصة. يؤدي التوسع إلى تحسين كفاءة الإنتاج وتقليل التكلفة لكل وحدة وتلبية احتياجات الأجهزة عالية الطاقة.
جودة البلورات الأعلى
في حين أن البلورات الحالية قد تحسنت بشكل كبير، إلا أن التحديات لا تزال قائمة مثل الأنابيب الدقيقة والتشوهات والشوائب. يعد التخلص من هذه العيوب أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أجهزة عالية الأداء.
تخفيض التكلفة
تعد التكلفة المرتفعة لنمو بلورات SiC عائقًا أمام الاعتماد على نطاق واسع. يعد تقليل التكاليف من خلال تحسين العمليات، وتحسين استخدام الموارد، والمواد الخام الأرخص، مجالًا رئيسيًا للبحث.
التصنيع الذكي
مع التقدم في الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، يلوح في الأفق نمو البلورات الذكي. يمكن لأجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم الآلية مراقبة الظروف وتعديلها في الوقت الفعلي، مما يحسن الاستقرار وقابلية التكرار. يمكن لتحليلات البيانات أن تزيد من تحسين العملية لتعزيز الإنتاجية والجودة.
