كربيد السيليكون (SiC) أصبحت واحدة من أكثر المواد الاستراتيجية في الإلكترونيات القوية، أجهزة RF، ومنصات أشباه الموصلات الجيل القادم.لا تزال النقل الفيزيائي للبخار (PVT) هي الطريقة الصناعية السائدة لإنتاج بلورات واحدة من SiC عالية الجودة.
في عملية PVT ، يتم تحويل مسحوق SiC عالي النقاء في غرفة نمو مغلقة ، ويتم نقل أنواع البخار وإعادة تكثيفها على بلور البذور ،تشكل كرة SiC من بلور واحديتكون نظام نمو PVT النموذجي من ثلاثة أنظمة فرعية مترابطة ارتباطًا وثيقًا: التحكم في درجة الحرارة، والتحكم في الضغط، وتجميع نمو البلورات.
يتم استخدام حالتين للتسخين عادة في أفران SiC PVT:
تسخين التحكم (10 ‰ 100 كيلو هرتز):
يسبب لفائف الكوارتز مزدوجة الطبقة المبردة بالماء تيارات إدارية في خليط الجرافيت ، مما يولد الحرارة. يحيط الخليط بخليط الجرافيت للعزل الحراري.
مقاومة التسخين:
سخان الجرافيت ينتج حرارة جولي، والتي يتم نقلها إلى الصخرة عن طريق الإشعاع ومن ثم إلى مسحوق SiC عن طريق التوصيل.
بالمقارنة مع تسخين المقاومة، تسخين التشغيل يوفر كفاءة أعلى، وتكلفة صيانة أقل وتصميم الفرن أبسط،ولكنها أكثر حساسية للإضطرابات الخارجية وتتطلب تحكم أكثر تطورا في الحقل الحراري.
يفرغ نظام الضغط أولاً الغرفة إلى فراغ كبير ، ثم يقدم كمية خاضعة للرقابة من الغازات الخاملة (عادة الأرجون). يجب أن يتم تنظيم ضغط النمو بدقة ، حيث أن ترقية SiC,نقل البخار، والتكثيف تعتمد بشدة على الضغط. النمو عالي الجودة يتطلب ربطًا وثيقًا لسيطرة درجة الحرارة والضغط.
تتكون منطقة النمو الأساسية من:
صهريج الجرافيت
مسحوق مصدر SiC
كريستال البذور
عند درجة حرارة عالية، يفكك مسحوق سي سي إلى أنواع بخار مثل سي سي، سي سي 2 سي، وسي سي 2. هذه الأنواع الغازية تنتقل نحو منطقة بلورات البذور الباردة،حيث يعادون الجمع ويتبلورون إلى SiC أحادي البلور.
الهندسة الداخلية للخلاط تؤثر بقوة على حجم الكريستال، وتوحيد النمو، وكثافة العيوب.
استخدم العمل المبكر الذي أجرته SiCrystal (ألمانيا) قسمات الجرافيت لإجبار النواة الطفيلية على الأسطح التضحية، مما يسمح للبلور الرئيسي بالنمو بشكل أكبر.أدخلت DENSO ألواح الحماية المتحركة ودلائل التدفق المخروطية للسيطرة على نقل البخار وتحسين توحيد الحافة.
تتضمن التطورات اللاحقة:
حوائط تصفية الغازات (II-VI، SiCrystal)
طبقات تنقية المصدر (TankeBlue، الصين)
حاملات البذور المتحركة ومناطق النمو القابلة للتعديل (معهد الفيزياء ، CAS ؛ SKC ؛ Showa Denko ؛ Tianyue Advanced)
في الآونة الأخيرة، تحول الاهتمام إلى التحكم الديناميكي في منطقة النمو، مثل رفع إما البذور أو مسحوق المصدر للحفاظ على فرق درجة حرارة ثابتة وتمكين قطرات الكرات أكبر.
نمو SiC هو أنيسوتروبيك للغاية. يحدد التوجه البلوراتي للبذور بشكل مباشر معدل النمو وتشكيل العيوب واستقرار النمط المتعدد.
تتضمن التطورات التاريخية الرئيسية:
سيمنز (1989): (0001) وجه القطب
تويوتا (1997): وجوه خارج المحور مائل 20°55°
وولفسبيد (2005): ميل صغير بين محور c والمتدرج الحراري
بريدجستون (2008): أسطح البذور المنحدرة لقمع الأنابيب الدقيقة
الهندسة السطحية تقلل من العيوب
الخنادق والملمس الدوري (Nippon Steel ، HOYA ، Fuji Electric)
الهياكل الدقيقة المجوفة للسيطرة على تدفق الخطوة
تتطلب الكرات الكبيرة لـ SiC بذورًا كبيرة. نظرًا لعدم توفر بذور كبيرة محلية ، يتم استخدام تكنولوجيا بذور الفسيفساء على نطاق واسع.
TankeBlue (2016): بذور صغيرة مرتبطة → كرات 150 مم
جامعة شاندونغ (2019): الفسيفساء + البث الجانبي والسطحي → بذور ≥8 بوصة
هذا النهج هو الآن مركزي إلى 200 ملمرقائق سي سيالتنمية
نظرًا لأن القياس المباشر داخل الخرسانة مستحيل ، يتم استخدام أدوات المحاكاة العددية (على سبيل المثال ، المفاعل الافتراضي) لتقدير حقول درجة الحرارة الداخلية.التدرج المحوري والشعاعي يحدد اتجاه نقل البخار، الإفراط في التشبع، وتركيب الكريستال.
معدل نمو SiC يزداد عندما:
ارتفاع درجة الحرارة
مصدر زيادة درجة حرارة البذور
انخفاض ضغط الغرفة
المصدر المسافة بين البذور تقل
ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي معدلات النمو المفرطة إلى العيوب وعدم استقرار النمط المتعدد والإجهاد.
نسبة C/Si هي المعلم الحيوي الحرج:
انخفاض C/Si → يفضل 3C-SiC
بخار غني بالكربون → يثبت 4H-SiC
يتحدد تركيب الغازات، والمواد المضادة، وضغط الغازات الخاملة معاً التشبع الزائد، النوع المتعدد، وتوحيد المنشطات.
نمو بلور واحد في سي سي الحديث هو مشكلة تحسين متعددة الفيزياء ، وتشمل:
نقاء المسحوق وحجم الجسيمات
تصميم الصهارة والدليل
توجيه البذور وتوضيح السطح
التحكم الديناميكي في الحرارة والضغط
لزيادة الكرات إلى ما وراء 200 ملم، الاستراتيجيات الرئيسية هي توسيع منطقة النمو والبذور الفسيفساء مساحة كبيرة. لتحسين جودة الكريستال، ويتحول التركيز إلى الجدول الزمني للضغط ودرجة الحرارة،التحكم في الكيمياء البخارية، و هندسة المصدر.
كما السيارات الكهربائية، وحدات الطاقة الذكية، وشبكات الجهد العاليسيظل إتقان فيزياء نمو الكريستال في PVT هو الميزة التنافسية الأساسية في صناعة أشباه الموصلات العالمية واسعة النطاق.
كربيد السيليكون (SiC) أصبحت واحدة من أكثر المواد الاستراتيجية في الإلكترونيات القوية، أجهزة RF، ومنصات أشباه الموصلات الجيل القادم.لا تزال النقل الفيزيائي للبخار (PVT) هي الطريقة الصناعية السائدة لإنتاج بلورات واحدة من SiC عالية الجودة.
في عملية PVT ، يتم تحويل مسحوق SiC عالي النقاء في غرفة نمو مغلقة ، ويتم نقل أنواع البخار وإعادة تكثيفها على بلور البذور ،تشكل كرة SiC من بلور واحديتكون نظام نمو PVT النموذجي من ثلاثة أنظمة فرعية مترابطة ارتباطًا وثيقًا: التحكم في درجة الحرارة، والتحكم في الضغط، وتجميع نمو البلورات.
يتم استخدام حالتين للتسخين عادة في أفران SiC PVT:
تسخين التحكم (10 ‰ 100 كيلو هرتز):
يسبب لفائف الكوارتز مزدوجة الطبقة المبردة بالماء تيارات إدارية في خليط الجرافيت ، مما يولد الحرارة. يحيط الخليط بخليط الجرافيت للعزل الحراري.
مقاومة التسخين:
سخان الجرافيت ينتج حرارة جولي، والتي يتم نقلها إلى الصخرة عن طريق الإشعاع ومن ثم إلى مسحوق SiC عن طريق التوصيل.
بالمقارنة مع تسخين المقاومة، تسخين التشغيل يوفر كفاءة أعلى، وتكلفة صيانة أقل وتصميم الفرن أبسط،ولكنها أكثر حساسية للإضطرابات الخارجية وتتطلب تحكم أكثر تطورا في الحقل الحراري.
يفرغ نظام الضغط أولاً الغرفة إلى فراغ كبير ، ثم يقدم كمية خاضعة للرقابة من الغازات الخاملة (عادة الأرجون). يجب أن يتم تنظيم ضغط النمو بدقة ، حيث أن ترقية SiC,نقل البخار، والتكثيف تعتمد بشدة على الضغط. النمو عالي الجودة يتطلب ربطًا وثيقًا لسيطرة درجة الحرارة والضغط.
تتكون منطقة النمو الأساسية من:
صهريج الجرافيت
مسحوق مصدر SiC
كريستال البذور
عند درجة حرارة عالية، يفكك مسحوق سي سي إلى أنواع بخار مثل سي سي، سي سي 2 سي، وسي سي 2. هذه الأنواع الغازية تنتقل نحو منطقة بلورات البذور الباردة،حيث يعادون الجمع ويتبلورون إلى SiC أحادي البلور.
الهندسة الداخلية للخلاط تؤثر بقوة على حجم الكريستال، وتوحيد النمو، وكثافة العيوب.
استخدم العمل المبكر الذي أجرته SiCrystal (ألمانيا) قسمات الجرافيت لإجبار النواة الطفيلية على الأسطح التضحية، مما يسمح للبلور الرئيسي بالنمو بشكل أكبر.أدخلت DENSO ألواح الحماية المتحركة ودلائل التدفق المخروطية للسيطرة على نقل البخار وتحسين توحيد الحافة.
تتضمن التطورات اللاحقة:
حوائط تصفية الغازات (II-VI، SiCrystal)
طبقات تنقية المصدر (TankeBlue، الصين)
حاملات البذور المتحركة ومناطق النمو القابلة للتعديل (معهد الفيزياء ، CAS ؛ SKC ؛ Showa Denko ؛ Tianyue Advanced)
في الآونة الأخيرة، تحول الاهتمام إلى التحكم الديناميكي في منطقة النمو، مثل رفع إما البذور أو مسحوق المصدر للحفاظ على فرق درجة حرارة ثابتة وتمكين قطرات الكرات أكبر.
نمو SiC هو أنيسوتروبيك للغاية. يحدد التوجه البلوراتي للبذور بشكل مباشر معدل النمو وتشكيل العيوب واستقرار النمط المتعدد.
تتضمن التطورات التاريخية الرئيسية:
سيمنز (1989): (0001) وجه القطب
تويوتا (1997): وجوه خارج المحور مائل 20°55°
وولفسبيد (2005): ميل صغير بين محور c والمتدرج الحراري
بريدجستون (2008): أسطح البذور المنحدرة لقمع الأنابيب الدقيقة
الهندسة السطحية تقلل من العيوب
الخنادق والملمس الدوري (Nippon Steel ، HOYA ، Fuji Electric)
الهياكل الدقيقة المجوفة للسيطرة على تدفق الخطوة
تتطلب الكرات الكبيرة لـ SiC بذورًا كبيرة. نظرًا لعدم توفر بذور كبيرة محلية ، يتم استخدام تكنولوجيا بذور الفسيفساء على نطاق واسع.
TankeBlue (2016): بذور صغيرة مرتبطة → كرات 150 مم
جامعة شاندونغ (2019): الفسيفساء + البث الجانبي والسطحي → بذور ≥8 بوصة
هذا النهج هو الآن مركزي إلى 200 ملمرقائق سي سيالتنمية
نظرًا لأن القياس المباشر داخل الخرسانة مستحيل ، يتم استخدام أدوات المحاكاة العددية (على سبيل المثال ، المفاعل الافتراضي) لتقدير حقول درجة الحرارة الداخلية.التدرج المحوري والشعاعي يحدد اتجاه نقل البخار، الإفراط في التشبع، وتركيب الكريستال.
معدل نمو SiC يزداد عندما:
ارتفاع درجة الحرارة
مصدر زيادة درجة حرارة البذور
انخفاض ضغط الغرفة
المصدر المسافة بين البذور تقل
ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي معدلات النمو المفرطة إلى العيوب وعدم استقرار النمط المتعدد والإجهاد.
نسبة C/Si هي المعلم الحيوي الحرج:
انخفاض C/Si → يفضل 3C-SiC
بخار غني بالكربون → يثبت 4H-SiC
يتحدد تركيب الغازات، والمواد المضادة، وضغط الغازات الخاملة معاً التشبع الزائد، النوع المتعدد، وتوحيد المنشطات.
نمو بلور واحد في سي سي الحديث هو مشكلة تحسين متعددة الفيزياء ، وتشمل:
نقاء المسحوق وحجم الجسيمات
تصميم الصهارة والدليل
توجيه البذور وتوضيح السطح
التحكم الديناميكي في الحرارة والضغط
لزيادة الكرات إلى ما وراء 200 ملم، الاستراتيجيات الرئيسية هي توسيع منطقة النمو والبذور الفسيفساء مساحة كبيرة. لتحسين جودة الكريستال، ويتحول التركيز إلى الجدول الزمني للضغط ودرجة الحرارة،التحكم في الكيمياء البخارية، و هندسة المصدر.
كما السيارات الكهربائية، وحدات الطاقة الذكية، وشبكات الجهد العاليسيظل إتقان فيزياء نمو الكريستال في PVT هو الميزة التنافسية الأساسية في صناعة أشباه الموصلات العالمية واسعة النطاق.
