نمو بلورة كربيد السيليكون أحادية البلورة

منذ اكتشافه، استقطب كربيد السيليكون اهتمامًا واسع النطاق. يتكون كربيد السيليكون من نصف ذرات سيليكون ونصف ذرات كربون، ترتبط بروابط تساهمية من خلال أزواج إلكترونية تتشارك في مدارات هجينة من النوع sp3. في الوحدة الهيكلية الأساسية لبلورته المفردة، تترتب أربع ذرات سيليكون في بنية رباعية السطوح منتظمة، وتقع ذرة الكربون في مركزها. على العكس من ذلك، يمكن اعتبار ذرة السيليكون أيضًا مركزًا لرباعي السطوح، مما يُشكل SiC4 أو CSi4. بنية رباعية السطوح. الرابطة التساهمية في SiC عالية الأيونية، وطاقة رابطة السيليكون-الكربون عالية جدًا، حوالي 4.47 إلكترون فولت. نظرًا لانخفاض طاقة خطأ التكديس، تُشكل بلورات كربيد السيليكون بسهولة أنواعًا متعددة من البلورات أثناء عملية النمو. يوجد أكثر من 200 نوع متعدد معروف، والتي يمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات رئيسية: مكعب، سداسي، وثلاثي.

في الوقت الحاضر، تشمل طرق النمو الرئيسية لبلورات SiC طريقة النقل الفيزيائي للبخار (طريقة PVT)، والترسيب الكيميائي للبخار في درجات الحرارة العالية (طريقة HTCVD)، وطريقة الطور السائل، وما إلى ذلك. ومن بينها، تعد طريقة PVT أكثر نضجًا وأكثر ملاءمة للإنتاج الضخم الصناعي.

تشير طريقة PVT إلى وضع بلورات كربيد السيليكون الأولية أعلى البوتقة، ووضع مسحوق كربيد السيليكون كمادة خام أسفلها. في بيئة مغلقة ذات درجة حرارة عالية وضغط منخفض، يتسامى مسحوق كربيد السيليكون ويتحرك لأعلى بتأثير تدرج درجة الحرارة واختلاف التركيز. وهي طريقة لنقله إلى جوار بلورة البذرة، ثم إعادة بلورته بعد الوصول إلى حالة التشبع الفائق. تتيح هذه الطريقة تحقيق نمو متحكم فيه لحجم بلورة كربيد السيليكون وأشكالها البلورية المحددة.
مع ذلك، يتطلب استخدام طريقة PVT لنمو بلورات كربيد السيليكون الحفاظ على ظروف نمو مناسبة طوال عملية النمو طويلة الأمد، وإلا سيؤدي ذلك إلى اضطراب في الشبكة، مما يؤثر على جودة البلورة. مع ذلك، يتم نمو بلورات كربيد السيليكون في بيئة مغلقة. ونظرًا لقلة طرق المراقبة الفعالة وتعدد المتغيرات، يصعب التحكم في العملية.

في عملية نمو بلورات SiC بطريقة PVT، يعتبر نمط نمو التدفق التدريجي (Step Flow Growth) هو الآلية الرئيسية للنمو المستقر لشكل البلورة المفردة.
سترتبط ذرات السيليكون والكربون المتبخرة بشكل تفضيلي بذرات سطح البلورة عند نقطة الالتواء، حيث ستتشكل نواتها وتنمو، مما يؤدي إلى تدفق كل خطوة للأمام بالتوازي. عندما يتجاوز عرض الخطوة على سطح البلورة مسار الانتشار الحر للذرات المتكيّفة بشكل كبير، قد تتكتل أعداد كبيرة منها، وسيؤدي نمط النمو ثنائي الأبعاد الشبيه بالجزيرة المتشكلة إلى تدمير نمط نمو تدفق الخطوة، مما يؤدي إلى فقدان معلومات بنية بلورة 4H، مما يؤدي إلى عيوب متعددة. لذلك، يجب أن يحقق تعديل معلمات العملية التحكم في بنية خطوة السطح، وبالتالي قمع تكوين العيوب متعددة الأشكال، وتحقيق الغرض من الحصول على شكل بلوري واحد، وفي النهاية إعداد بلورات عالية الجودة.

باعتبارها أقدم طريقة مُطوّرة لنمو بلورات كربيد السيليكون (SiC)، تُعدّ طريقة نقل البخار الفيزيائي حاليًا الطريقة الأكثر شيوعًا لنمو بلورات كربيد السيليكون. بالمقارنة مع الطرق الأخرى، تتميز هذه الطريقة بمتطلبات أقل لمعدات النمو، وعملية نمو بسيطة، وسهولة تحكم عالية، وبحوث تطوير شاملة نسبيًا، وقد حققت بالفعل تطبيقات صناعية. تتمثل ميزة طريقة HTCVD في قدرتها على نمو رقائق شبه عازلة موصلة (n, p) وعالية النقاء، والتحكم في تركيز التشويب بحيث يكون تركيز الناقل في الرقاقة قابلًا للتعديل بين 3×1013~5×1019/سم3. أما عيوبها فتتمثل في ارتفاع العتبة التقنية وانخفاض حصتها السوقية. مع استمرار تطور تقنية نمو بلورات كربيد السيليكون في الطور السائل، ستظهر إمكانات كبيرة في تطوير صناعة كربيد السيليكون بأكملها في المستقبل، ومن المرجح أن تُمثل نقطة تحول جديدة في نمو بلورات كربيد السيليكون.