تكنولوجيا هيكل ونمو كربيد السيليكون (Ⅰ)

أولا، هيكل وخصائص الكريستال كربيد السيليكون.

SiC هو مركب ثنائي مكون من عنصر Si وعنصر C بنسبة 1:1، أي 50% سيليكون (Si) و50% كربون (C)، ووحدته الهيكلية الأساسية هي SI-C رباعي السطوح.

رسم تخطيطي لهيكل رباعي الاسطح من كربيد السيليكون

 على سبيل المثال، ذرات Si كبيرة القطر، أي ما يعادل تفاحة، وذرات C صغيرة القطر، أي ما يعادل برتقالة، ويتم تكديس عدد متساو من البرتقال والتفاح معًا لتكوين بلورة SiC.

SiC هو مركب ثنائي، حيث يكون التباعد الذري لرابطة Si-Si هو 3.89 A، كيف نفهم هذا التباعد؟ في الوقت الحاضر، تتمتع آلة الطباعة الحجرية الأكثر ممتازة في السوق بدقة طباعة حجرية تبلغ 3 نانومتر، وهي مسافة 30 أمبير، ودقة الطباعة الحجرية 8 أضعاف المسافة الذرية.

تبلغ طاقة رابطة Si-Si 310 كيلو جول/مول، لذلك يمكنك أن تفهم أن طاقة الرابطة هي القوة التي تسحب هاتين الذرتين بعيدًا، وكلما زادت طاقة الرابطة، زادت القوة التي تحتاجها للفصل.

 على سبيل المثال، ذرات Si كبيرة القطر، أي ما يعادل تفاحة، وذرات C صغيرة القطر، أي ما يعادل برتقالة، ويتم تكديس عدد متساو من البرتقال والتفاح معًا لتكوين بلورة SiC.

SiC هو مركب ثنائي، حيث يكون التباعد الذري لرابطة Si-Si هو 3.89 A، كيف نفهم هذا التباعد؟ في الوقت الحاضر، تتمتع آلة الطباعة الحجرية الأكثر ممتازة في السوق بدقة طباعة حجرية تبلغ 3 نانومتر، وهي مسافة 30 أمبير، ودقة الطباعة الحجرية 8 أضعاف المسافة الذرية.

تبلغ طاقة رابطة Si-Si 310 كيلو جول/مول، لذلك يمكنك أن تفهم أن طاقة الرابطة هي القوة التي تسحب هاتين الذرتين بعيدًا، وكلما زادت طاقة الرابطة، زادت القوة التي تحتاجها للفصل.

رسم تخطيطي لهيكل رباعي الاسطح من كربيد السيليكون

 على سبيل المثال، ذرات Si كبيرة القطر، أي ما يعادل تفاحة، وذرات C صغيرة القطر، أي ما يعادل برتقالة، ويتم تكديس عدد متساو من البرتقال والتفاح معًا لتكوين بلورة SiC.

SiC هو مركب ثنائي، حيث يكون التباعد الذري لرابطة Si-Si هو 3.89 A، كيف نفهم هذا التباعد؟ في الوقت الحاضر، تتمتع آلة الطباعة الحجرية الأكثر ممتازة في السوق بدقة طباعة حجرية تبلغ 3 نانومتر، وهي مسافة 30 أمبير، ودقة الطباعة الحجرية 8 أضعاف المسافة الذرية.

تبلغ طاقة رابطة Si-Si 310 كيلو جول/مول، لذلك يمكنك أن تفهم أن طاقة الرابطة هي القوة التي تسحب هاتين الذرتين بعيدًا، وكلما زادت طاقة الرابطة، زادت القوة التي تحتاجها للفصل.

 على سبيل المثال، ذرات Si كبيرة القطر، أي ما يعادل تفاحة، وذرات C صغيرة القطر، أي ما يعادل برتقالة، ويتم تكديس عدد متساو من البرتقال والتفاح معًا لتكوين بلورة SiC.

SiC هو مركب ثنائي، حيث يكون التباعد الذري لرابطة Si-Si هو 3.89 A، كيف نفهم هذا التباعد؟ في الوقت الحاضر، تتمتع آلة الطباعة الحجرية الأكثر ممتازة في السوق بدقة طباعة حجرية تبلغ 3 نانومتر، وهي مسافة 30 أمبير، ودقة الطباعة الحجرية 8 أضعاف المسافة الذرية.

تبلغ طاقة رابطة Si-Si 310 كيلو جول/مول، لذلك يمكنك أن تفهم أن طاقة الرابطة هي القوة التي تسحب هاتين الذرتين بعيدًا، وكلما زادت طاقة الرابطة، زادت القوة التي تحتاجها للفصل.

نحن نعلم أن كل مادة تتكون من ذرات، وتركيب البلورة هو ترتيب منتظم للذرات، وهو ما يسمى بالترتيب بعيد المدى، كما يلي. تسمى أصغر وحدة بلورية خلية، وإذا كانت الخلية ذات بنية مكعبة تسمى مكعبًا متقاربًا، والخلية ذات بنية سداسية تسمى سداسية متقاربة.

تشمل أنواع بلورات SiC الشائعة 3C-SiC، و4H-SiC، و6H-SiC، و15R-SiC، وما إلى ذلك. ويوضح الشكل تسلسل تراصها في اتجاه المحور c.

 

من بينها، تسلسل التراص الأساسي لـ 4H-SiC هو ABCB... ؛ تسلسل التراص الأساسي لـ 6H-SiC هو ABCACB... ؛ تسلسل التراص الأساسي لـ 15R-SiC هو ABCACBCABACABCB... .

 

ويمكن اعتبار ذلك لبنة لبناء منزل، فبعض طوب المنزل له ثلاث طرق لوضعه، وبعضها له أربع طرق لوضعه، وبعضها له ست طرق.
يتم عرض معلمات الخلية الأساسية لهذه الأنواع البلورية الشائعة من SiC في الجدول:

ماذا تعني أ، ب، ج والزوايا؟ يتم وصف بنية أصغر خلية وحدة في شبه موصل SiC على النحو التالي:

وفي حالة الخلية نفسها فإن البنية البلورية ستكون مختلفة أيضًا، هذا مثل أننا نشتري اليانصيب، الرقم الفائز هو 1، 2، 3، اشتريت 1، 2، 3 ثلاثة أرقام، لكن إذا تم فرز الرقم بشكل مختلف، يختلف المبلغ الفائز، لذلك يمكن تسمية رقم وترتيب نفس البلورة بنفس البلورة.
يوضح الشكل التالي وضعي التراص النموذجيين، فقط الفرق في وضع التراص للذرات العلوية، يختلف التركيب البلوري.

يرتبط التركيب البلوري الذي يتكون من SiC بقوة بدرجة الحرارة. تحت تأثير درجة الحرارة العالية التي تتراوح بين 1900 إلى 2000 درجة مئوية، سوف يتحول 3C-SiC ببطء إلى شكل متعدد الأشكال من SiC سداسي مثل 6H-SiC بسبب ضعف ثباته الهيكلي. إنه على وجه التحديد بسبب الارتباط القوي بين احتمالية تكوين أشكال متعددة SiC ودرجة الحرارة، وعدم استقرار 3C-SiC نفسه، فمن الصعب تحسين معدل نمو 3C-SiC، والتحضير صعب. يعد النظام السداسي المكون من 4H-SiC و6H-SiC هو الأكثر شيوعًا والأسهل في التحضير، ويتم دراسته على نطاق واسع نظرًا لخصائصه الخاصة.

 يبلغ طول الرابطة لرابطة SI-C في بلورة SiC 1.89A فقط، ولكن طاقة الربط تصل إلى 4.53eV. لذلك، فإن فجوة مستوى الطاقة بين حالة الترابط وحالة مكافحة الترابط كبيرة جدًا، ويمكن تشكيل فجوة نطاق واسعة، وهي عدة أضعاف فجوة Si وGaAs. يعني عرض فجوة النطاق الأعلى أن البنية البلورية ذات درجة الحرارة العالية مستقرة. يمكن لإلكترونيات الطاقة المرتبطة بها تحقيق خصائص التشغيل المستقر في درجات حرارة عالية وهيكل مبسط لتبديد الحرارة.

الارتباط المحكم لرابطة Si-C يجعل الشبكة ذات تردد اهتزاز عالي، أي فونون عالي الطاقة، مما يعني أن بلورة SiC تتمتع بقدرة عالية على الحركة الإلكترونية المشبعة والتوصيل الحراري، والأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة ذات الصلة لها سرعة وموثوقية تحويل أعلى، مما يقلل من خطر فشل ارتفاع درجة حرارة الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، فإن قوة مجال الانهيار الأعلى لـ SiC تسمح له بتحقيق تركيزات أعلى للمنشطات والحصول على مقاومة أقل.

 ثانيا، تاريخ تطور كريستال كربيد السيليكون

 في عام 1905، اكتشف الدكتور هنري مويسان بلورة SiC طبيعية في الحفرة، والتي وجدها تشبه الماس وأطلق عليها اسم ألماسة موسان.

 في الواقع، في وقت مبكر من عام 1885، حصل أتشيسون على كربيد السيليكون عن طريق خلط فحم الكوك مع السيليكا وتسخينه في فرن كهربائي. في ذلك الوقت، ظن الناس أنه خليط من الماس وأطلقوا عليه اسم الصنفرة.

 في عام 1892، قام أتشيسون بتحسين عملية التوليف، حيث قام بخلط رمل الكوارتز وفحم الكوك وكمية صغيرة من رقائق الخشب وكلوريد الصوديوم، وقام بتسخينه في فرن القوس الكهربائي إلى 2700 درجة مئوية، وحصل بنجاح على بلورات كربيد السيليكون المتقشرة. تُعرف هذه الطريقة لتركيب بلورات SiC باسم طريقة أتشيسون ولا تزال الطريقة السائدة لإنتاج مواد كاشطة SiC في الصناعة. نظرًا لانخفاض نقاء المواد الخام الاصطناعية وعملية التوليف الخام، تنتج طريقة أتشيسون المزيد من شوائب SiC وضعف سلامة البلورات وقطر بلوري صغير، وهو ما يصعب تلبية متطلبات صناعة أشباه الموصلات ذات الحجم الكبير والنقاء العالي والعالي. - بلورات ذات جودة عالية، ولا يمكن استخدامها في صناعة الأجهزة الإلكترونية.

 اقترح ليلي من مختبر فيليبس طريقة جديدة لتنمية بلورات كربيد السيليكون المفردة في عام 1955. في هذه الطريقة، يتم استخدام بوتقة الجرافيت كوعاء نمو، ويتم استخدام مسحوق بلورات كربيد السيليكون كمادة خام لزراعة بلورات كربيد السيليكون، ويستخدم الجرافيت المسامي لعزل منطقة مجوفة من مركز المادة الخام المتنامية. عند النمو، يتم تسخين بوتقة الجرافيت إلى 2500 درجة مئوية تحت جو Ar أو H2، ويتسامي مسحوق SiC المحيطي ويتحلل إلى مواد طور بخار Si وC، وتنمو بلورة SiC في المنطقة المجوفة الوسطى بعد الغاز. ينتقل التدفق من خلال الجرافيت المسامي.

ثالثا، تكنولوجيا نمو الكريستال SiC

يعد النمو البلوري الفردي لـ SiC أمرًا صعبًا نظرًا لخصائصه الخاصة. ويرجع ذلك أساسًا إلى عدم وجود طور سائل مع نسبة متكافئة من Si: C = 1:1 عند الضغط الجوي، ولا يمكن زراعته بطرق النمو الأكثر نضجًا المستخدمة في عملية النمو السائدة الحالية لأشباه الموصلات. الصناعة - طريقة تشيكوسلوفاكيا، طريقة البوتقة المتساقطة وطرق أخرى. وفقًا للحساب النظري، فقط عندما يكون الضغط أكبر من 10E5atm وتكون درجة الحرارة أعلى من 3200 درجة مئوية، يمكن الحصول على نسبة متكافئة من محلول Si: C = 1:1. ومن أجل التغلب على هذه المشكلة، بذل العلماء جهودًا حثيثة لاقتراح طرق مختلفة للحصول على بلورات SiC عالية الجودة وحجم كبير ورخيصة الثمن. في الوقت الحاضر، الطرق الرئيسية هي طريقة PVT، طريقة الطور السائل وطريقة الترسيب الكيميائي للبخار بدرجة حرارة عالية.