1. تقنية تطعيم مسحوق كربيد السيليكون
يمكن تحقيق نمو مستقر لبلورات أحادية من نوع 4H-SiC عن طريق إضافة كمية مناسبة من عنصر السيريوم إلى مسحوق كربيد السيليكون. وقد أظهرت التجارب العملية أن إضافة السيريوم إلى المواد المسحوقة تزيد من معدل نمو بلورات كربيد السيليكون، مما يُسرّع نموها. كما يُمكن التحكم في اتجاه بلورات كربيد السيليكون، مما يجعل نموها أكثر انتظامًا وتجانسًا. وتُثبّط هذه العملية تكوّن الشوائب في البلورات، وتقلل من تشكّل العيوب، مما يُسهّل الحصول على بلورات أحادية عالية الجودة. كما تُثبّط التآكل على السطح الخلفي للبلورة، وتزيد من نسبة البلورات الأحادية.
2. تقنية التحكم في تدرج المجال الحراري المحوري والقطري
يؤثر تدرج درجة الحرارة المحوري بشكل رئيسي على شكل البلورات وكفاءتها أثناء النمو. يؤدي انخفاض تدرج درجة الحرارة إلى ظهور بلورات غير متجانسة أثناء عملية النمو، كما يؤثر على معدل انتقال المواد الغازية، مما ينتج عنه انخفاض في معدل نمو البلورات. أما تدرجات درجة الحرارة المحورية والشعاعية المناسبة فتسهل النمو السريع لبلورات كربيد السيليكون وتحافظ على استقرار جودتها.
3. تقنية التحكم في خلع المستوى الأساسي (BPD)
السبب الرئيسي لتكوّن عيوب BPD هو أن إجهاد القص في البلورة يتجاوز إجهاد القص الحرج لـبلورة كربيد السيليكونمما يؤدي إلى تنشيط نظام الانزلاق. ولأن اتجاه انحناء البلورة عمودي على اتجاه نمو البلورة، فإنه يتشكل بشكل رئيسي أثناء عملية نمو البلورة وعملية تبريدها اللاحقة.
4. تقنية تنظيم ومراقبة نسبة مكونات الطور الغازي
في عملية نمو البلورات، يُعدّ رفع نسبة الكربون إلى السيليكون ونسبة مكونات الطور الغازي في بيئة النمو إجراءً فعالاً لتحقيق نمو مستقر لبلورة أحادية الشكل. فارتفاع نسبة الكربون إلى السيليكون يُقلل من اندماج الخطوات الكبيرة ويحافظ على توارث معلومات النمو على سطح البلورة الأولية، مما يُسهم في كبح تعدد الأشكال البلورية.
5. تقنية التحكم منخفضة الإجهاد
أثناء عملية نمو البلورات، يمكن أن يؤدي وجود الإجهاد إلى تآكل المستويات البلورية الداخلية لـكربيد السيليكونيؤدي الانحناء إلى تدني جودة البلورة، بل وحتى تشققها. علاوة على ذلك، قد يؤدي الإجهاد الكبير إلى زيادة الانخلاعات في المستوى الأساسي للرقاقة. يمكن لهذه العيوب أن تنتقل إلى الطبقة المترسبة أثناء عملية الترسيب، مما يؤثر سلبًا على أداء الجهاز في المراحل اللاحقة.
فيما يلي عدة طرق لتحسين عملية تقليل الإجهاد داخل البلورة:
1. اضبط توزيع مجال درجة الحرارة ومعايير العملية لتمكين SiC أحادينمو البلوراتالمضي قدماً في ظل ظروف أقرب ما يمكن إلى حالة التوازن.
2. تحسين بنية وشكل البوتقة للسماح للبلورة بالنمو بحرية قدر الإمكان في حالة غير مقيدة.
3. فيما يتعلق بتثبيت البلورة البذرية، يُنصح بتعديل عملية التثبيت لتقليل الفرق في معاملات التمدد الحراري بين البلورة البذرية وحامل الجرافيت أثناء التسخين، مما يقلل من الإجهاد الداخلي داخل بلورة 4H-SiC الأحادية. ومن الطرق الشائعة ترك فجوة 2 مم بين البلورة البذرية وحامل الجرافيت.
4. عدّل عملية تلدين البلورة بتطبيق التلدين المبرد داخل الفرن. اضبط درجة حرارة التلدين ومدته لتحرير الإجهاد الداخلي داخل البلورة بشكل كامل.
وبالنظر إلى المستقبل، ستتطور تقنية تحضير بلورات كربيد السيليكون (SiC) أحادية البلورة عالية الجودة في عدة اتجاهات رئيسية:
1. زيادة حجم الرقاقات: تطور قطر بلورات كربيد السيليكون من ملليمترات قليلة إلى رقاقات بحجم 6 بوصات و8 بوصات، وحتى رقاقات أكبر بحجم 12 بوصة. يُحسّن تحضير بلورات كربيد السيليكون الأكبر حجمًا كفاءة الإنتاج، ويقلل التكاليف، ويلبي متطلبات الأجهزة عالية الطاقة.
2. تحسين جودة البلورات: تُعد بلورات كربيد السيليكون عالية الجودة ضرورية للأجهزة عالية الأداء. على الرغم من التقدم الكبير المُحرز، لا تزال العيوب مثل الأنابيب الدقيقة والتشوهات والشوائب قائمة، مما يؤثر على أداء الجهاز وموثوقيته.
3. خفض تكاليف الإنتاج: تُحدّ التكلفة المرتفعة نسبيًا لتحضير بلورات كربيد السيليكون من استخدامها في بعض المجالات. ويمكن تحقيق خفض التكاليف من خلال تحسين عمليات النمو، ورفع كفاءة الإنتاج، وتقليل نفقات المواد الخام.
4. تطبيق التصنيع الذكي: مع التقدم في الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة، ستعتمد تقنية نمو بلورات كربيد السيليكون بشكل متزايد على الذكاء. تعمل المراقبة والتحكم في الوقت الفعلي عبر أجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم الآلية على تعزيز استقرار العملية وإمكانية التحكم بها. في الوقت نفسه، يُسهم الاستفادة من تحليلات البيانات الضخمة في تحسين بيانات النمو، مما يؤدي إلى تحسين جودة البلورات وكفاءة الإنتاج.
تُعدّ تقنية تحضير بلورات كربيد السيليكون أحادية البلورة عالية الجودة من أبرز المجالات البحثية الحالية في مواد أشباه الموصلات. ومع التطور التكنولوجي المستمر، ستواصل تقنية نمو بلورات كربيد السيليكون تطورها وتحسينها، مما يوفر أساسًا أكثر متانة لتطبيقات كربيد السيليكون في مجالات درجات الحرارة العالية والترددات العالية والطاقة العالية وغيرها.
تاريخ النشر: 10 يوليو 2025