منذ اكتشافه، حظي كربيد السيليكون باهتمام واسع النطاق. يتكون كربيد السيليكون من نصف ذرات سيليكون ونصف ذرات كربون، ترتبط بروابط تساهمية عبر أزواج إلكترونية تتشارك مدارات مهجنة sp3. في الوحدة البنائية الأساسية لبلورته الأحادية، تترتب أربع ذرات سيليكون في بنية رباعية الأوجه منتظمة، وتقع ذرة الكربون في مركز هذا الرباعي. ويمكن اعتبار ذرة السيليكون مركزًا للرباعي أيضًا، مما يُشكل SiC4 أو CSi4. تتميز الرابطة التساهمية في كربيد السيليكون بطابع أيوني قوي، وطاقة رابطة السيليكون-كربون عالية جدًا، تبلغ حوالي 4.47 إلكترون فولت. نظرًا لانخفاض طاقة خطأ التراص، تُشكل بلورات كربيد السيليكون بسهولة أشكالًا متعددة أثناء عملية النمو. يوجد أكثر من 200 شكل متعدد معروف، يمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات رئيسية: المكعب، والسداسي، والمثلث.
تشمل طرق النمو الرئيسية لبلورات كربيد السيليكون حاليًا طريقة النقل الفيزيائي للبخار (PVT)، وطريقة الترسيب الكيميائي للبخار عند درجة حرارة عالية (HTCVD)، وطريقة الطور السائل، وغيرها. ومن بينها، تُعد طريقة النقل الفيزيائي للبخار (PVT) أكثر نضجًا وأكثر ملاءمة للإنتاج الصناعي الضخم.
تُعرف طريقة PVT بوضع بلورات SiC الأولية على سطح البوتقة، ووضع مسحوق SiC كمادة خام في قاعها. في بيئة مغلقة ذات درجة حرارة عالية وضغط منخفض، يتسامى مسحوق SiC ويصعد إلى الأعلى بفعل تدرج درجة الحرارة واختلاف التركيز. وتتمثل إحدى طرق نقله إلى جوار البلورة الأولية ثم إعادة بلورته بعد وصوله إلى حالة فوق التشبع. تتيح هذه الطريقة التحكم في نمو حجم بلورات SiC وأشكالها البلورية.
مع ذلك، يتطلب استخدام طريقة الترسيب الفيزيائي للبخار (PVT) لإنماء بلورات كربيد السيليكون (SiC) الحفاظ على ظروف نمو مناسبة طوال عملية النمو طويلة الأمد، وإلا سيؤدي ذلك إلى اضطراب في الشبكة البلورية، مما يؤثر على جودة البلورة. إلا أن نمو بلورات كربيد السيليكون يتم في بيئة مغلقة، وتوجد طرق مراقبة فعالة قليلة، بالإضافة إلى العديد من المتغيرات، مما يجعل التحكم في العملية صعبًا.
في عملية تنمية بلورات SiC بطريقة PVT، يعتبر نمط نمو التدفق التدريجي (نمو التدفق التدريجي) الآلية الرئيسية للنمو المستقر لشكل البلورة المفردة.
تتفاعل ذرات السيليكون والكربون المتبخرة بشكل تفضيلي مع ذرات سطح البلورة عند نقطة الانحناء، حيث تتشكل وتنمو، مما يؤدي إلى تدفق كل خطوة للأمام بشكل متوازٍ. عندما يتجاوز عرض الخطوة على سطح البلورة بكثير مسار الانتشار الحر للذرات الممتزة، قد تتكتل أعداد كبيرة منها، ويؤدي نمط النمو ثنائي الأبعاد الشبيه بالجزر إلى تدمير نمط نمو تدفق الخطوة، مما ينتج عنه فقدان معلومات بنية البلورة 4H، وبالتالي ظهور عيوب متعددة. لذلك، يجب أن يحقق ضبط معايير العملية التحكم في بنية الخطوة السطحية، وبالتالي كبح توليد العيوب متعددة الأشكال، وتحقيق هدف الحصول على شكل بلوري أحادي، وفي النهاية تحضير بلورات عالية الجودة.
تُعدّ طريقة النقل الفيزيائي للبخار، باعتبارها أقدم طريقة مُطوّرة لنمو بلورات كربيد السيليكون، الطريقة الأكثر شيوعًا حاليًا. بالمقارنة مع الطرق الأخرى، تتميز هذه الطريقة بمتطلبات أقل لمعدات النمو، وعملية نمو بسيطة، وإمكانية تحكم عالية، وبحوث تطوير شاملة نسبيًا، وقد دخلت بالفعل حيز التطبيق الصناعي. تكمن ميزة طريقة النقل الفيزيائي للبخار في قدرتها على إنتاج رقائق موصلة (n، p) ورقائق شبه عازلة عالية النقاء، وإمكانية التحكم في تركيز التطعيم بحيث يمكن ضبط تركيز حاملات الشحنة في الرقاقة بين 3×10¹³ و5×10¹⁹/سم³. أما عيوبها فتتمثل في صعوبة تطبيقها تقنيًا وانخفاض حصتها السوقية. مع استمرار نضوج تقنية نمو بلورات كربيد السيليكون في الطور السائل، ستُظهر إمكانات هائلة في تطوير صناعة كربيد السيليكون بأكملها مستقبلًا، ومن المرجح أن تُشكّل نقطة تحوّل جديدة في نمو بلورات كربيد السيليكون.
تاريخ النشر: 16 أبريل 2024