עקרון גידול גבישי סיליקון קרביד (SiC) בשיטת PVT

שיטת PVT, ששמה המלא הוא הובלת אדים פיזיקלית, היא שיטה נפוצה לגידול סיליקון קרביד (סיליקה קרבידגבישים) תחת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. העיקרון הבסיסי שלו הוא לחמם אבקת סיליקון קרביד לסובלימציה בטמפרטורה מעל 2300℃ ובסביבה בלחץ נמוך קרוב לוואקום, ויוצר גז תגובה המכיל רכיבים גזיים כגון Si, Si2C ו-SiC2. עקב הלחצים החלקיים השונים בשלב הגז של רכיבי ה-Si וה-C הנוצרים בתגובת הסובלימציה בשלב מוצק, היחס הסטוכיומטרי Si/C משתנה עם התפלגות השדה התרמי. לכן, יש צורך לשלוט על התפלגות והובלת רכיבי בשלב הגז כדי להבטיח שהם יגיעו למיקומי ההתגבשות הספציפיים בתא הגידול.

כדי למנוע התגבשות לא מסודרת בשלב הגז לצורך היווצרות סיליקון קרביד רב-גבישי, גבישי זרעי סיליקון קרביד ממוקמים בחלק העליון של תא הגידול. תחת השפעת רוויה יתר בשלב הגז, רכיבי פאזת הגז ישקעו על פני גביש הזרעים ויצרו גבישים בודדים של סיליקון קרביד. תהליך התגובה כולו מתרחש בתא גידול סגור, שבו כל הפרמטרים של מערכת התגובה מקושרים זה לזה. כל תנודה בתנאי הגידול תשפיע על יציבות צמיחת הגביש הבודד.

בנוסף, המבנים הצפופים השונים של גבישי סיליקון קרביד בודדים מבחינת כיוון הגביש שלהם מובילים לשיטות חיבור וקשירה אטומיות שונות, ובכך נוצרים יותר מ-200 צורות גביש של איזומרים של סיליקון קרביד. מחסום המרת האנרגיה בין צורות גביש שונות הוא נמוך ביותר, כך שסביר מאוד שתתרחש טרנספורמציה של צורת גביש במערכת גידול גביש יחיד PVT, וכתוצאה מכך צורות גביש מטרה לא מסודרות ופגמי התגבשות שונים. לכן, יש צורך להשתמש בציוד בדיקה ייעודי כדי לזהות את צורת הגביש ופגמים שונים במטיל הגביש.

תהליך ההכנה של סיליקון קרביד דורש דרישות גבוהות ביותר, המתבטאות בעיקר בהיבטים הבאים:

• בתהליך הסינתזה של אבקת סיליקון קרביד ישנם זיהומים סביבתיים רבים, מה שמקשה על השגת אבקה בעלת טוהר גבוה. תגובה לא שלמה בין אבקת סיליקון לאבקת פחמן כמקור התגובה נוטה לגרום לחוסר איזון ביחס ה-Si/C. קשה לשלוט על צורת הגביש וגודל החלקיקים של אבקת סיליקון קרביד לאחר הסינתזה.
• בתנאים של טמפרטורה גבוהה מעל 2300 מעלות צלזיוס וכמעט ואקום, סיליקון קרביד עובר תהליך טרנספורמציה "מוצק-גז-מוצק" והתגבשות מחדש בתא גרפיט סגור. תהליך זה בעל מחזור גדילה ארוך, קשה לשליטה והוא נוטה לפגמים כמו מיקרוטובולים ותכלילים.
• סיליקון קרביד כולל מעל 200 צורות גביש שונות, אך ייצורו דורש בדרך כלל רק צורת גביש אחת. במהלך תהליך הגידול, נטייה להתרחש טרנספורמציה של צורת גביש, וכתוצאה מכך לפגמי הכללה מרובי סוגים. במהלך תהליך ההכנה, קשה לשלוט ביציבות על צורת גביש ספציפית אחת, ומחסום המרת האנרגיה בין צורות גביש שונות נמוך ביותר, מה שמגביר את קושי הבקרה. בקרת הפרמטרים והמחקר הקשור בתקופה זו דורשים עלויות מחקר ופיתוח עצומות, וזו גם אחת הסיבות לעלות הגבוהה של סיליקון קרביד תואם.