Prinsip Kaedah PVT Pertumbuhan Kristal Silikon Karbida (SiC)

Kaedah PVT, yang nama penuhnya ialah Pengangkutan Wap Fizikal, merupakan kaedah biasa untuk menumbuhkan silikon karbida (SiC)kristal di bawah suhu tinggi dan tekanan tinggi. Prinsip asasnya adalah untuk memanaskan serbuk silikon karbida kepada pemejalwapan pada suhu melebihi 2300℃ dan dalam persekitaran tekanan rendah berhampiran vakum, membentuk gas tindak balas yang mengandungi komponen gas seperti Si, Si2C, dan SiC2. Disebabkan oleh tekanan separa fasa gas yang berbeza bagi komponen Si dan C yang dibentuk oleh tindak balas pemejalwapan fasa pepejal, nisbah stoikiometri Si/C berbeza-beza dengan taburan medan haba. Oleh itu, adalah perlu untuk mengawal taburan dan pengangkutan komponen fasa gas untuk memastikan ia mencapai kedudukan penghabluran tertentu dalam ruang pertumbuhan.

Untuk mengelakkan penghabluran fasa gas yang tidak teratur daripada membentuk silikon karbida polikristalin, kristal biji silikon karbida diletakkan di bahagian atas ruang pertumbuhan. Di bawah pemacu supertepu fasa gas, komponen fasa gas akan mendapan pada permukaan kristal biji untuk membentuk kristal tunggal silikon karbida. Keseluruhan proses tindak balas berlaku di dalam ruang pertumbuhan tertutup, di mana semua parameter sistem tindak balas digandingkan antara satu sama lain. Sebarang turun naik dalam keadaan pertumbuhan akan menjejaskan kestabilan pertumbuhan kristal tunggal.

Di samping itu, struktur padat hablur tunggal silikon karbida yang berbeza dari segi orientasi hablurnya membawa kepada pelbagai kaedah penyambungan dan pengikatan atom, sekali gus membentuk lebih daripada 200 bentuk hablur isomer silikon karbida. Halangan penukaran tenaga antara bentuk hablur yang berbeza adalah sangat rendah, jadi transformasi bentuk hablur sangat berkemungkinan berlaku dalam sistem pertumbuhan hablur tunggal PVT, mengakibatkan bentuk hablur sasaran yang tidak teratur dan pelbagai kecacatan penghabluran. Oleh itu, adalah perlu untuk menggunakan peralatan pemeriksaan khusus untuk mengesan bentuk hablur dan pelbagai kecacatan jongkong hablur.

Proses penyediaan silikon karbida mempunyai keperluan yang sangat tinggi, terutamanya ditunjukkan dalam aspek berikut:

• Terdapat banyak bendasing persekitaran dalam proses sintesis serbuk silikon karbida, menjadikannya sukar untuk mendapatkan serbuk berketulenan tinggi. Tindak balas yang tidak lengkap antara serbuk silikon dan serbuk karbon sebagai sumber tindak balas cenderung menyebabkan ketidakseimbangan dalam nisbah Si/C. Bentuk hablur dan saiz zarah serbuk silikon karbida selepas sintesis sukar dikawal.
• Di bawah keadaan suhu tinggi melebihi 2300℃ dan hampir vakum, silikon karbida menjalani transformasi "pepejal-gas-pepejal" dan proses penghabluran semula dalam ruang grafit tertutup. Proses ini mempunyai kitaran pertumbuhan yang panjang, sukar dikawal, dan terdedah kepada kecacatan seperti mikrotubul dan rangkuman.
• Silikon karbida merangkumi lebih 200 bentuk kristal yang berbeza, tetapi pengeluaran biasanya hanya memerlukan satu bentuk kristal. Semasa proses pertumbuhan, transformasi bentuk kristal mudah berlaku, mengakibatkan kecacatan rangkuman berbilang jenis. Semasa proses penyediaan, sukar untuk mengawal satu bentuk kristal tertentu secara stabil, dan penghalang penukaran tenaga antara bentuk kristal yang berbeza adalah sangat rendah, yang meningkatkan kesukaran kawalan. Kawalan parameter dan penyelidikan berkaitan dalam tempoh ini memerlukan kos R&D yang besar, yang juga merupakan salah satu sebab kos silikon karbida yang mematuhi piawaian yang tinggi.