عملية تحضير بلورة البذور في نمو بلورة مفردة من كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC)تتمتع المادة بمزايا فجوة نطاق واسعة، وموصلية حرارية عالية، وقوة مجال الانهيار الحرج العالية، وسرعة انجراف الإلكترون المشبعة العالية، مما يجعلها واعدة للغاية في مجال تصنيع أشباه الموصلات. يتم إنتاج بلورات SiC المفردة بشكل عام من خلال طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT). تتضمن الخطوات المحددة لهذه الطريقة وضع مسحوق SiC في الجزء السفلي من بوتقة الجرافيت ووضع بلورة بذرة SiC في أعلى البوتقة. الجرافيتبوتقةيتم تسخينه إلى درجة حرارة التسامي لـ SiC، مما يتسبب في تحلل مسحوق SiC إلى مواد مرحلة البخار مثل بخار Si، وSi2C، وSiC2. تحت تأثير التدرج في درجة الحرارة المحورية، تتسامى هذه المواد المتبخرة إلى أعلى البوتقة وتتكثف على سطح بلورة بذور كربيد السيليكون، وتتبلور إلى بلورات مفردة من كربيد السيليكون.

حاليًا، قطر بلورة البذور المستخدمة فيهانمو بلورة واحدة SiCيحتاج إلى مطابقة قطر البلورة المستهدف. أثناء النمو، يتم تثبيت بلورة البذور على حامل البذور أعلى البوتقة باستخدام مادة لاصقة. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي هذه الطريقة لتثبيت بلورة البذور إلى مشاكل مثل الفراغات في الطبقة اللاصقة بسبب عوامل مثل دقة سطح حامل البذور وتوحيد الطلاء اللاصق، مما قد يؤدي إلى عيوب الفراغات السداسية. وتشمل هذه تحسين تسطيح لوحة الجرافيت، وزيادة توحيد سمك الطبقة اللاصقة، وإضافة طبقة عازلة مرنة. على الرغم من هذه الجهود، لا تزال هناك مشكلات تتعلق بكثافة الطبقة اللاصقة، وهناك خطر انفصال بلورات البذور. من خلال اعتماد طريقة الترابطرقاقةلورق الجرافيت وتداخله في الجزء العلوي من البوتقة، يمكن تحسين كثافة الطبقة اللاصقة، ويمكن منع انفصال الرقاقة.

1. المخطط التجريبي:
الرقائق المستخدمة في التجربة متاحة تجاريارقائق SiC من النوع N مقاس 6 بوصة. يتم تطبيق مقاوم الضوء باستخدام المغطي تدور. يتم تحقيق الالتصاق باستخدام فرن الضغط الساخن للبذور الذي تم تطويره ذاتيًا.

1.1 مخطط تثبيت كريستال البذور:
في الوقت الحالي، يمكن تقسيم مخططات التصاق كريستال بذور SiC إلى فئتين: النوع اللاصق ونوع التعليق.

مخطط نوع اللاصق (الشكل 1): يتضمن هذا ربطرقاقة كربيد السيليكونإلى لوحة الجرافيت بطبقة من ورق الجرافيت كطبقة عازلة لإزالة الفجوات بينرقاقة كربيد السيليكونولوحة الجرافيت. في الإنتاج الفعلي، تكون قوة الترابط بين ورق الجرافيت ولوحة الجرافيت ضعيفة، مما يؤدي إلى انفصال بلورات البذور بشكل متكرر أثناء عملية النمو ذات درجة الحرارة العالية، مما يؤدي إلى فشل النمو.

مخطط نوع التعليق (الشكل 2): عادةً، يتم إنشاء فيلم كربون كثيف على سطح الترابط لرقاقة SiC باستخدام طرق تفحيم الغراء أو الطلاء. الرقاقة كربيد السيليكونيتم بعد ذلك تثبيتها بين لوحتين من الجرافيت ووضعها في الجزء العلوي من بوتقة الجرافيت، مما يضمن الاستقرار بينما يحمي فيلم الكربون الرقاقة. ومع ذلك، فإن إنشاء طبقة الكربون من خلال الطلاء أمر مكلف وغير مناسب للإنتاج الصناعي. تنتج طريقة تفحيم الغراء جودة غير متناسقة لفيلم الكربون، مما يجعل من الصعب الحصول على فيلم كربون كثيف تمامًا مع التصاق قوي. بالإضافة إلى ذلك، فإن تثبيت ألواح الجرافيت يقلل من مساحة النمو الفعالة للرقاقة عن طريق حجب جزء من سطحها.

استنادا إلى المخططين المذكورين أعلاه، يقترح مخطط جديد لاصق ومتداخل (الشكل 3):

يتم إنشاء فيلم كربون كثيف نسبيًا على سطح الترابط لرقاقة SiC باستخدام طريقة كربنة الغراء، مما يضمن عدم تسرب ضوء كبير تحت الإضاءة.
يتم ربط رقاقة SiC المغطاة بفيلم الكربون بورق الجرافيت، حيث يكون سطح الربط هو جانب فيلم الكربون. يجب أن تظهر الطبقة اللاصقة باللون الأسود بشكل موحد تحت الضوء.
يتم تثبيت ورق الجرافيت بواسطة ألواح الجرافيت ويتم تعليقه فوق بوتقة الجرافيت لنمو البلورات.

1.2 لاصق:
تؤثر لزوجة مقاوم الضوء بشكل كبير على توحيد سماكة الفيلم. وبنفس سرعة الدوران، تؤدي اللزوجة المنخفضة إلى إنتاج أفلام لاصقة أرق وأكثر اتساقًا. ولذلك، يتم اختيار مقاوم الضوء منخفض اللزوجة ضمن متطلبات التطبيق.

أثناء التجربة، وجد أن لزوجة المادة اللاصقة الكربنة تؤثر على قوة الترابط بين فيلم الكربون والرقاقة. اللزوجة العالية تجعل من الصعب تطبيقها بشكل موحد باستخدام طبقة الدوران، في حين أن اللزوجة المنخفضة تؤدي إلى ضعف قوة الترابط، مما يؤدي إلى تشقق طبقة الكربون أثناء عمليات الترابط اللاحقة بسبب تدفق المادة اللاصقة والضغط الخارجي. من خلال البحث التجريبي، تم تحديد لزوجة المادة اللاصقة الكربنة لتكون 100 مللي باسكال، وتم ضبط لزوجة المادة اللاصقة الرابطة على 25 مللي باسكال.

1.3 فراغ العمل:
تتضمن عملية إنشاء فيلم الكربون على رقاقة SiC تفحيم الطبقة اللاصقة على سطح رقاقة SiC، والتي يجب إجراؤها في بيئة مفرغة أو محمية بالأرجون. تظهر النتائج التجريبية أن البيئة المحمية بالأرجون تكون أكثر ملاءمة لإنتاج أفلام الكربون من البيئة ذات الفراغ العالي. إذا تم استخدام بيئة فراغية، فيجب أن يكون مستوى الفراغ ≥1 Pa.

تتضمن عملية ربط بلورة بذرة SiC ربط رقاقة SiC بلوحة الجرافيت/ورق الجرافيت. وبالنظر إلى التأثير التآكلي للأكسجين على مواد الجرافيت عند درجات حرارة عالية، يجب إجراء هذه العملية في ظل ظروف الفراغ. تمت دراسة تأثير مستويات الفراغ المختلفة على الطبقة اللاصقة. وتظهر النتائج التجريبية في الجدول 1. ويمكن ملاحظة أنه في ظل ظروف الفراغ المنخفضة، لا تتم إزالة جزيئات الأكسجين الموجودة في الهواء بالكامل، مما يؤدي إلى طبقات لاصقة غير مكتملة. عندما يكون مستوى الفراغ أقل من 10 باسكال، يقل تأثير التآكل لجزيئات الأكسجين على الطبقة اللاصقة بشكل كبير. عندما يكون مستوى الفراغ أقل من 1 باسكال، يتم التخلص تمامًا من تأثير التآكل.