ثلاث تقنيات رئيسية لنمو بلورات كربيد السيليكون

كما هو موضح في الشكل 3، توجد ثلاث تقنيات رئيسية تهدف إلى إنتاج بلورات أحادية من كربيد السيليكون (SiC) بجودة وكفاءة عاليتين: الترسيب الطوري السائل (LPE)، والنقل الفيزيائي للبخار (PVT)، والترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HTCVD). يُعدّ النقل الفيزيائي للبخار (PVT) عملية راسخة لإنتاج بلورات أحادية من كربيد السيليكون، وهي شائعة الاستخدام لدى كبرى شركات تصنيع الرقائق.

مع ذلك، تشهد العمليات الثلاث تطورًا وابتكارًا سريعًا. ولا يمكن الجزم بعدُ أيّ عملية ستُعتمد على نطاق واسع في المستقبل. على وجه الخصوص، تم الإبلاغ في السنوات الأخيرة عن إنتاج بلورات أحادية عالية الجودة من كربيد السيليكون (SiC) عن طريق النمو من المحلول بمعدل كبير، ويتطلب نمو كربيد السيليكون بكميات كبيرة في الطور السائل درجة حرارة أقل من تلك المطلوبة في عملية التسامي أو الترسيب، ويُظهر تفوقًا في إنتاج ركائز كربيد السيليكون من النوع P (الجدول 3) [33، 34].

الشكل 3: رسم تخطيطي لثلاث تقنيات سائدة لنمو بلورات أحادية من كربيد السيليكون: (أ) الترسيب الطبقي في الطور السائل؛ (ب) النقل الفيزيائي للبخار؛ (ج) الترسيب الكيميائي للبخار عند درجة حرارة عالية

الجدول 3: مقارنة بين LPE و PVT و HTCVD لنمو بلورات SiC أحادية [33، 34]

يُعدّ نمو البلورات من المحلول تقنيةً قياسيةً لتحضير أشباه الموصلات المركبة [36]. ومنذ ستينيات القرن الماضي، سعى الباحثون إلى تطوير بلورة في محلول [37]. وبمجرد تطوير هذه التقنية، يُمكن التحكم بدقة في فرط تشبع سطح النمو، مما يجعل طريقة المحلول تقنيةً واعدةً للحصول على سبائك بلورية أحادية عالية الجودة.

لنمو بلورات كربيد السيليكون الأحادية من المحلول، يُستمد السيليكون من مصهور سيليكون عالي النقاء، بينما يؤدي بوتقة الجرافيت وظيفتين: التسخين وتوفير الكربون المذاب. من المرجح أن تنمو بلورات كربيد السيليكون الأحادية عند النسبة القياسية المثالية عندما تكون نسبة الكربون إلى السيليكون قريبة من 1، مما يشير إلى انخفاض كثافة العيوب [28]. مع ذلك، عند الضغط الجوي، لا يُظهر كربيد السيليكون نقطة انصهار ويتحلل مباشرةً عن طريق التبخر عند درجات حرارة تتجاوز 2000 درجة مئوية. وفقًا للتوقعات النظرية، لا يمكن تكوين مصهور كربيد السيليكون إلا في ظل تدرج حراري شديد ونظام محلول. كلما زادت نسبة الكربون في مصهور السيليكون، زادت سرعة النمو، بينما عند انخفاض نسبة الكربون، تزداد سرعة النمو. يمكن أن يؤدي التشبع الفائق إلى إنتاج سطح أملس [22، 36-38]. عند درجات حرارة تتراوح بين 1400 و2800 درجة مئوية، تتراوح ذوبانية الكربون في مصهور السيليكون من 1% إلى 13% ذري. القوة الدافعة للنمو هي التشبع الفائق للكربون، والذي يهيمن عليه تدرج درجة الحرارة ونظام المحلول. كلما زاد التشبع الفائق للكربون، زادت سرعة النمو، بينما يؤدي انخفاض التشبع الفائق للكربون إلى إنتاج سطح أملس [22، 36-38].

الشكل 4: مخطط الطور الثنائي Si-C [40]

لا يقتصر دور تطعيم السيليكون بعناصر المعادن الانتقالية أو العناصر الأرضية النادرة على خفض درجة حرارة النمو بشكل فعال فحسب، بل يبدو أنه السبيل الوحيد لتحسين ذوبان الكربون في مصهور السيليكون بشكل جذري. فإضافة معادن المجموعة الانتقالية، مثل التيتانيوم [8، 14-16، 19، 40-52]، والكروم [29، 30، 43، 50، 53-75]، والكوبالت [63، 76]، والحديد [77-80]، وغيرها، أو معادن الأرض النادرة، مثل السيريوم [81]، والإيتريوم [82]، والسكانديوم، وغيرها، إلى مصهور السيليكون، يسمح بتجاوز ذوبان الكربون 50% ذريًا في حالة قريبة من التوازن الديناميكي الحراري. علاوة على ذلك، تُعد تقنية الترسيب الطوري السائل (LPE) مناسبة لتطعيم كربيد السيليكون من النوع P، والذي يمكن تحقيقه عن طريق إضافة الألومنيوم إلى سبيكة السيليكون.
المذيب [50، 53، 56، 59، 64، 71-73، 82، 83]. ومع ذلك، يؤدي إدخال الألومنيوم إلى زيادة في مقاومة بلورات السيليكون كاربيد أحادية النوع P [49، 56]. وبصرف النظر عن نمو النوع N تحت تأثير تطعيم النيتروجين،

تتم عملية نمو المحلول عادةً في جو من الغاز الخامل. على الرغم من أن الهيليوم (He) أغلى ثمناً من الأرجون، إلا أنه مفضل لدى العديد من الباحثين لانخفاض لزوجته وارتفاع موصليته الحرارية (ثمانية أضعاف الأرجون) [85]. يتشابه معدل الهجرة ومحتوى الكروم في 4H-SiC في جو من الهيليوم والأرجون، وقد ثبت أن النمو في جو من الهيليوم يؤدي إلى معدل نمو أعلى من النمو في جو من الأرجون، وذلك بسبب تبديد الحرارة الأكبر لحامل البذور [68]. يعيق الهيليوم تكوّن الفراغات داخل البلورة النامية والتنوي التلقائي في المحلول، وبالتالي يمكن الحصول على سطح أملس [86].

تناولت هذه الورقة البحثية تطوير وتطبيقات وخصائص أجهزة كربيد السيليكون، بالإضافة إلى الطرق الرئيسية الثلاث لإنماء بلورات كربيد السيليكون الأحادية. وفي الأقسام التالية، تم استعراض تقنيات الإنماء الحالية باستخدام المحاليل والمعايير الأساسية المرتبطة بها. وأخيرًا، تم اقتراح رؤية مستقبلية تناقش التحديات والأعمال المستقبلية المتعلقة بالإنماء الكتلي لبلورات كربيد السيليكون الأحادية باستخدام طريقة المحاليل.