كما هو موضح في الشكل 3، هناك ثلاث تقنيات رئيسية تهدف إلى توفير بلورة أحادية من كربيد السيليكون بجودة وكفاءة عالية: ترسيب الطور السائل (LPE)، ونقل البخار الفيزيائي (PVT)، وترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HTCVD). تُعد تقنية نقل البخار الفيزيائي عملية راسخة لإنتاج بلورة أحادية من كربيد السيليكون، وهي مستخدمة على نطاق واسع في كبرى شركات تصنيع الرقائق.
ومع ذلك، تشهد العمليات الثلاث تطورًا وابتكارًا سريعين. ولا يزال من غير الممكن الجزم بأي عملية ستُعتمد على نطاق واسع في المستقبل. وعلى وجه الخصوص، تم الإبلاغ في السنوات الأخيرة عن بلورة أحادية عالية الجودة من كربيد السيليكون (SiC) تُنتج عن طريق نمو المحلول بمعدلات عالية. ويتطلب نمو كربيد السيليكون بكميات كبيرة في الطور السائل درجة حرارة أقل من درجة حرارة عملية التسامي أو الترسيب، كما يُظهر تميزًا في إنتاج ركائز كربيد السيليكون من النوع P (الجدول 3) [33، 34].
الشكل 3: مخطط لثلاث تقنيات رئيسية لنمو بلورات كربيد السيليكون المفردة: (أ) التكاثر الطبقي في الطور السائل؛ (ب) النقل الفيزيائي للبخار؛ (ج) الترسيب الكيميائي للبخار عند درجات حرارة عالية
الجدول 3: مقارنة بين LPE وPVT وHTCVD لتنمية بلورات SiC المفردة [33، 34]
يُعدّ نموّ المحلول تقنيةً قياسيةً لتحضير أشباه الموصلات المركّبة [36]. منذ ستينيات القرن الماضي، حاول الباحثون تطوير بلورة في محلول [37]. بمجرد تطوير هذه التقنية، يُمكن التحكّم بشكلٍ جيد في تشبع سطح النمو، مما يجعل طريقة المحلول تقنيةً واعدةً للحصول على سبائك بلورية أحادية عالية الجودة.
بالنسبة لنمو محلول بلورة SiC المفردة، ينبع مصدر Si من مصهور Si عالي النقاء بينما يخدم بوتقة الجرافيت غرضين: مصدر تسخين ومذاب C. من المرجح أن تنمو بلورات SiC المفردة تحت النسبة المتكافئة المثالية عندما تكون نسبة C إلى Si قريبة من 1، مما يشير إلى كثافة عيب أقل [28]. ومع ذلك، عند الضغط الجوي، لا يُظهر SiC أي نقطة انصهار ويتحلل مباشرة عن طريق التبخر في درجات حرارة تتجاوز حوالي 2000 درجة مئوية. يمكن رؤية مصهور SiC، وفقًا للتوقعات النظرية، فقط تحت ضغط شديد من مخطط الطور الثنائي Si-C (الشكل 4) الذي يختلف حسب تدرج درجة الحرارة ونظام المحلول. كلما ارتفع C في مصهور Si، يتراوح من 1at.٪ إلى 13at.٪. إن تشبع C المحرك، كان معدل النمو أسرع، بينما قوة C المنخفضة للنمو هي تشبع C الفائق الذي يهيمن عليه ضغط 109 باسكال ودرجات حرارة أعلى من 3200 درجة مئوية. يمكن أن يُنتج التشبع الفائق سطحًا أملسًا [22، 36-38]. عند درجات حرارة تتراوح بين 1400 و2800 درجة مئوية، تتراوح ذوبانية الكربون في مصهور السيليكون بين 1 و13 درجة مئوية. يُعزى النمو إلى التشبع الفائق للكربون، الذي يُهيمن عليه تدرج درجة الحرارة ونظام المحلول. كلما ارتفع التشبع الفائق للكربون، زادت سرعة النمو، بينما يُنتج التشبع الفائق المنخفض للكربون سطحًا أملسًا [22، 36-38].
الشكل 4: مخطط الطور الثنائي Si-C [40]
لا يقتصر تأثير تشويب عناصر المعادن الانتقالية أو العناصر الأرضية النادرة على خفض درجة حرارة النمو بشكل فعال فحسب، بل يبدو أنه السبيل الوحيد لتحسين ذوبان الكربون بشكل كبير في مصهور السيليكون. إن إضافة معادن المجموعة الانتقالية، مثل Ti [8، 14-16، 19، 40-52]، وCr [29، 30، 43، 50، 53-75]، وCo [63، 76]، وFe [77-80]، وغيرها، أو معادن أرضية نادرة مثل Ce [81]، وY [82]، وSc، وغيرها، إلى مصهور السيليكون، يسمح لذوبان الكربون بتجاوز 50at.% في حالة قريبة من التوازن الديناميكي الحراري. علاوة على ذلك، تُعد تقنية LPE مناسبة لتشويب SiC من النوع P، والذي يمكن تحقيقه عن طريق خلط Al في
المذيب [50، 53، 56، 59، 64، 71-73، 82، 83]. ومع ذلك، يؤدي دمج الألومنيوم إلى زيادة في مقاومة بلورات SiC الفردية من النوع P [49، 56]. وبصرف النظر عن النمو من النوع N تحت تأثير النيتروجين،
ينمو المحلول عادةً في جو غاز خامل. على الرغم من أن الهيليوم (He) أغلى من الأرجون، إلا أنه يُفضله العديد من الباحثين نظرًا لانخفاض لزوجته وتوصيله الحراري العالي (ثمانية أضعاف الأرجون) [85]. يتشابه معدل الهجرة ومحتوى الكروم في 4H-SiC في جو الهيليوم والأرجون، وقد ثبت أن النمو في جو الهيليوم يؤدي إلى معدل نمو أعلى منه في جو الأرجون نظرًا لتبديد الحرارة الأكبر لحامل البذرة [68]. يعيق الهيليوم تكوين الفراغات داخل البلورة النامية والتنوي التلقائي في المحلول، وبالتالي، يمكن الحصول على مورفولوجيا سطحية ناعمة [86].
تناولت هذه الورقة البحثية تطوير وتطبيقات وخصائص أجهزة كربيد السيليكون (SiC)، والطرق الرئيسية الثلاث لتنمية بلورات كربيد السيليكون المفردة. في الأقسام التالية، استعرضت تقنيات تنمية المحلول الحالية والمعايير الرئيسية المقابلة لها. وأخيرًا، طُرحت رؤية مستقبلية ناقشت التحديات والأعمال المستقبلية المتعلقة بتنمية بلورات كربيد السيليكون المفردة بكميات كبيرة عبر طريقة المحلول.
وقت النشر: 1 يوليو 2024