تكنولوجيا هيكل ونمو كربيد السيليكون (Ⅱ)

رابعا، طريقة نقل البخار الفيزيائي

النقل البخار الفيزيائي (PVT)نشأت الطريقة من تقنية التسامي بمرحلة البخار التي اخترعتها شركة Lely في عام 1955. يتم وضع مسحوق SiC في أنبوب جرافيت ويتم تسخينه إلى درجة حرارة عالية لتحلل مسحوق SiC وتساميه، ثم يتم تبريد أنبوب الجرافيت. بعد تحلل مسحوق SiC، يتم ترسيب مكونات مرحلة البخار وتبلورها في بلورات SiC حول أنبوب الجرافيت. على الرغم من أن هذه الطريقة تجعل من الصعب الحصول على بلورات مفردة كبيرة الحجم من SiC، كما يصعب التحكم في عملية الترسيب في أنبوب الجرافيت، إلا أنها توفر أفكارًا للباحثين اللاحقين.
يم تيراروف وآخرون. في روسيا، قدم مفهوم بلورات البذور على هذا الأساس وحل مشكلة الشكل البلوري الذي لا يمكن التحكم فيه وموضع النواة لبلورات SiC. واصل الباحثون اللاحقون تحسين طريقة نقل الطور الغازي الفيزيائي (PVT) وتطويرها في نهاية المطاف في الاستخدام الصناعي اليوم.

باعتبارها أقدم طريقة لنمو بلورات SiC، فإن طريقة نقل البخار الفيزيائي هي طريقة النمو الأكثر شيوعًا لنمو بلورات SiC. بالمقارنة مع الطرق الأخرى، فإن الطريقة لديها متطلبات منخفضة لمعدات النمو، وعملية نمو بسيطة، وإمكانية تحكم قوية، وتطوير شامل، وأبحاث، وقد حققت تطبيقًا صناعيًا. يظهر الشكل هيكل البلورة التي تمت زراعتها بواسطة طريقة PVT السائدة الحالية.

يمكن التحكم في مجالات درجة الحرارة المحورية والشعاعية من خلال التحكم في ظروف العزل الحراري الخارجي لبوتقة الجرافيت. يتم وضع مسحوق SiC في الجزء السفلي من بوتقة الجرافيت بدرجة حرارة أعلى، ويتم تثبيت بلورة بذور SiC في الجزء العلوي من بوتقة الجرافيت عند درجة حرارة أقل. يتم التحكم بشكل عام في المسافة بين المسحوق والبذور لتكون عشرات المليمترات لتجنب الاتصال بين البلورة المفردة المتنامية والمسحوق. يتراوح تدرج درجة الحرارة عادةً بين 15-35 درجة مئوية/سم. يتم الاحتفاظ بغاز خامل يتراوح من 50 إلى 5000 باسكال في الفرن لزيادة الحمل الحراري. بهذه الطريقة، بعد تسخين مسحوق SiC إلى 2000-2500 درجة مئوية عن طريق التسخين التعريفي، سوف يتسامى مسحوق SiC ويتحلل إلى Si وSi2C وSiC2 ومكونات بخار أخرى، ويتم نقله إلى نهاية البذرة بالحمل الحراري للغاز، و تتم بلورة SiC على بلورة البذور لتحقيق نمو بلوري واحد. معدل نموها النموذجي هو 0.1-2mm/h.

تركز عملية PVT على التحكم في درجة حرارة النمو، وتدرج درجة الحرارة، وسطح النمو، وتباعد سطح المادة، وضغط النمو، وميزتها هي أن عمليتها ناضجة نسبيًا، والمواد الخام سهلة الإنتاج، والتكلفة منخفضة، ولكن عملية النمو من الصعب ملاحظة طريقة PVT، ومعدل نمو البلورات يتراوح بين 0.2-0.4 مم/ساعة، ومن الصعب نمو بلورات ذات سماكة كبيرة (> 50 مم). بعد عقود من الجهود المتواصلة، أصبح السوق الحالي لرقائق الركيزة SiC المزروعة بطريقة PVT ضخمًا للغاية، ويمكن أن يصل الإنتاج السنوي لرقائق الركيزة SiC إلى مئات الآلاف من الرقائق، ويتغير حجمها تدريجيًا من 4 بوصات إلى 6 بوصات. بوصة، وقد طورت 8 بوصات من عينات ركيزة SiC.

 

خامساً، طريقة ترسيب البخار الكيميائي بدرجة حرارة عالية

 

ترسيب البخار الكيميائي عالي الحرارة (HTCVD) هو طريقة محسنة تعتمد على ترسيب البخار الكيميائي (CVD). تم اقتراح هذه الطريقة لأول مرة في عام 1995 من قبل كوردينا وآخرين، جامعة لينكوبنج، السويد.
يظهر مخطط هيكل النمو في الشكل:

يمكن التحكم في مجالات درجة الحرارة المحورية والشعاعية من خلال التحكم في ظروف العزل الحراري الخارجي لبوتقة الجرافيت. يتم وضع مسحوق SiC في الجزء السفلي من بوتقة الجرافيت بدرجة حرارة أعلى، ويتم تثبيت بلورة بذور SiC في الجزء العلوي من بوتقة الجرافيت عند درجة حرارة أقل. يتم التحكم بشكل عام في المسافة بين المسحوق والبذور لتكون عشرات المليمترات لتجنب الاتصال بين البلورة المفردة المتنامية والمسحوق. يتراوح تدرج درجة الحرارة عادةً بين 15-35 درجة مئوية/سم. يتم الاحتفاظ بغاز خامل يتراوح من 50 إلى 5000 باسكال في الفرن لزيادة الحمل الحراري. بهذه الطريقة، بعد تسخين مسحوق SiC إلى 2000-2500 درجة مئوية عن طريق التسخين التعريفي، سوف يتسامى مسحوق SiC ويتحلل إلى Si وSi2C وSiC2 ومكونات بخار أخرى، ويتم نقله إلى نهاية البذرة بالحمل الحراري للغاز، و تتم بلورة SiC على بلورة البذور لتحقيق نمو بلوري واحد. معدل نموها النموذجي هو 0.1-2mm/h.

تركز عملية PVT على التحكم في درجة حرارة النمو، وتدرج درجة الحرارة، وسطح النمو، وتباعد سطح المادة، وضغط النمو، وميزتها هي أن عمليتها ناضجة نسبيًا، والمواد الخام سهلة الإنتاج، والتكلفة منخفضة، ولكن عملية النمو من الصعب ملاحظة طريقة PVT، ومعدل نمو البلورات يتراوح بين 0.2-0.4 مم/ساعة، ومن الصعب نمو بلورات ذات سماكة كبيرة (> 50 مم). بعد عقود من الجهود المتواصلة، أصبح السوق الحالي لرقائق الركيزة SiC المزروعة بطريقة PVT ضخمًا للغاية، ويمكن أن يصل الإنتاج السنوي لرقائق الركيزة SiC إلى مئات الآلاف من الرقائق، ويتغير حجمها تدريجيًا من 4 بوصات إلى 6 بوصات. بوصة، وقد طورت 8 بوصات من عينات ركيزة SiC.

 

عند تنمية بلورة SiC بطريقة الطور السائل، يظهر في الشكل توزيع درجة الحرارة والحمل الحراري داخل المحلول المساعد:

ويمكن ملاحظة أن درجة الحرارة بالقرب من جدار البوتقة في المحلول المساعد أعلى، في حين أن درجة الحرارة عند بلورة البذور أقل. أثناء عملية النمو، توفر بوتقة الجرافيت مصدر C لنمو البلورات. نظرًا لأن درجة الحرارة عند جدار البوتقة مرتفعة، وقابلية ذوبان C كبيرة، ومعدل الذوبان سريع، سيتم إذابة كمية كبيرة من C عند جدار البوتقة لتكوين محلول مشبع من C. هذه المحاليل بكمية كبيرة سيتم نقل C المذاب إلى الجزء السفلي من بلورات البذور عن طريق الحمل الحراري داخل المحلول المساعد. نظرًا لانخفاض درجة حرارة نهاية بلورة البذرة، تنخفض قابلية ذوبان C المقابلة بشكل مماثل، ويصبح المحلول المشبع C الأصلي محلولًا مفرط التشبع من C بعد نقله إلى نهاية درجة الحرارة المنخفضة في ظل هذه الحالة. يمكن لـ C المفرط في المحلول مع Si في المحلول المساعد أن ينمو بلورة SiC الفوقي على بلورة البذور. عندما يترسب الجزء المثقوب من C، يعود المحلول إلى النهاية ذات درجة الحرارة العالية لجدار البوتقة بالحمل الحراري ويذيب C مرة أخرى ليشكل محلول مشبع.

تتكرر العملية برمتها، وتنمو بلورة SiC. في عملية نمو الطور السائل، يعد ذوبان وترسيب C في المحلول مؤشرًا مهمًا جدًا لتقدم النمو. من أجل ضمان نمو بلوري مستقر، من الضروري الحفاظ على التوازن بين ذوبان C عند جدار البوتقة والترسيب عند نهاية البذرة. إذا كان انحلال C أكبر من ترسيب C، فسيتم إثراء C في البلورة تدريجيًا، وسوف يحدث نواة تلقائية لـ SiC. إذا كان ذوبان C أقل من ترسيب C، فسيكون من الصعب تنفيذ نمو البلورات بسبب نقص المذاب.
وفي الوقت نفسه، يؤثر نقل الكربون بالحمل الحراري أيضًا على إمداد الكربون أثناء النمو. من أجل تنمية بلورات SiC بجودة كريستالية جيدة وسمك كافٍ، من الضروري ضمان توازن العناصر الثلاثة المذكورة أعلاه، مما يزيد بشكل كبير من صعوبة نمو الطور السائل من SiC. ومع ذلك، مع التحسين التدريجي وتحسين النظريات والتقنيات ذات الصلة، ستظهر مزايا نمو الطور السائل لبلورات SiC تدريجيًا.
في الوقت الحاضر، يمكن تحقيق نمو الطور السائل لبلورات SiC مقاس 2 بوصة في اليابان، ويجري أيضًا تطوير نمو الطور السائل لبلورات 4 بوصة. في الوقت الحاضر، لم تحقق الأبحاث المحلية ذات الصلة نتائج جيدة، ومن الضروري متابعة الأعمال البحثية ذات الصلة.

 

سابعا، الخواص الفيزيائية والكيميائية لبلورات SiC

 

(1) الخواص الميكانيكية: تتمتع بلورات SiC بصلابة عالية للغاية ومقاومة جيدة للتآكل. تتراوح صلابته على مقياس موس بين 9.2 و9.3، وصلابته على الكريت بين 2900 و3100 كجم/مم2، وهي في المرتبة الثانية بعد بلورات الماس بين المواد التي تم اكتشافها. نظرًا للخصائص الميكانيكية الممتازة لـ SiC، غالبًا ما يتم استخدام مسحوق SiC في صناعة القطع أو الطحن، مع طلب سنوي يصل إلى ملايين الأطنان. سوف يستخدم الطلاء المقاوم للتآكل في بعض قطع العمل أيضًا طلاء SiC، على سبيل المثال، يتكون الطلاء المقاوم للتآكل في بعض السفن الحربية من طلاء SiC.

(2) الخصائص الحرارية: يمكن أن تصل الموصلية الحرارية لـ SiC إلى 3-5 واط/سم · كلفن، وهو ما يعادل 3 أضعاف الموصلية الحرارية لأشباه الموصلات التقليدية Si و8 أضعاف GaAs. يمكن إجراء إنتاج الحرارة للجهاز الذي تم إعداده بواسطة SiC بسرعة، وبالتالي فإن متطلبات ظروف تبديد الحرارة لجهاز SiC تكون فضفاضة نسبيًا، وهي أكثر ملاءمة لإعداد الأجهزة عالية الطاقة. يتمتع SiC بخصائص ديناميكية حرارية مستقرة. في ظل ظروف الضغط العادي، سوف يتحلل SiC مباشرة إلى بخار يحتوي على Si وC عند مستويات أعلى.

(3) الخواص الكيميائية: يتمتع SiC بخصائص كيميائية مستقرة، ومقاومة جيدة للتآكل، ولا يتفاعل مع أي حمض معروف في درجة حرارة الغرفة. إن وضع SiC في الهواء لفترة طويلة سيشكل ببطء طبقة رقيقة من SiO2 الكثيف، مما يمنع المزيد من تفاعلات الأكسدة. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى أكثر من 1700 درجة مئوية، فإن الطبقة الرقيقة من SiO2 تذوب وتتأكسد بسرعة. يمكن أن يخضع SiC لتفاعل أكسدة بطيء مع المؤكسدات أو القواعد المنصهرة، وعادةً ما تتآكل رقائق SiC في KOH و Na2O2 المنصهرة لتوصيف الخلع في بلورات SiC.

(4) الخواص الكهربائية: SiC كمادة تمثيلية لأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة، يبلغ عرض فجوة النطاق 6H-SiC و4H-SiC 3.0 فولت و3.2 فولت على التوالي، وهو ما يعادل 3 أضعاف Si و2 أضعاف GaAs. تحتوي أجهزة أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون على تيارات تسرب أصغر ومجالات كهربائية أكبر، لذلك يعتبر كربيد السيليكون مادة مثالية للأجهزة عالية الطاقة. تعد حركة الإلكترون المشبع لـ SiC أعلى مرتين من حركة Si، ولها أيضًا مزايا واضحة في تحضير الأجهزة عالية التردد. يمكن الحصول على بلورات SiC من النوع P أو بلورات SiC من النوع N عن طريق تطعيم ذرات الشوائب في البلورات. في الوقت الحاضر، يتم تطعيم بلورات SiC من النوع P بشكل أساسي بواسطة Al وB وBe وO وGa وSc وذرات أخرى، ويتم تطعيم بلورات sic من النوع N بشكل أساسي بواسطة ذرات N. سيكون للاختلاف في تركيز ونوع المنشطات تأثير كبير على الخواص الفيزيائية والكيميائية لـ SiC. في الوقت نفسه، يمكن تسمير الناقل الحر عن طريق المنشطات العميقة المستوى مثل V، ويمكن زيادة المقاومة، ويمكن الحصول على بلورة SiC شبه العازلة.

(5) الخصائص البصرية: نظرًا لفجوة النطاق الواسعة نسبيًا، فإن بلورة SiC غير المنشورة تكون عديمة اللون وشفافة. تظهر بلورات SiC المنشطات ألوانًا مختلفة بسبب خصائصها المختلفة، على سبيل المثال، 6H-SiC يكون أخضر بعد المنشطات N؛ 4H-SiC بني. 15R-SiC أصفر. مخدر مع Al، 4H-SiC يظهر باللون الأزرق. إنها طريقة بديهية للتمييز بين نوع بلورة SiC من خلال ملاحظة الاختلاف في اللون. ومع البحث المستمر في المجالات المتعلقة بـ SiC في العشرين عامًا الماضية، تم تحقيق اختراقات كبيرة في التقنيات ذات الصلة.

 

ثامناً، مقدمة عن حالة تطوير SiC

في الوقت الحاضر، أصبحت صناعة SiC مثالية بشكل متزايد، بدءًا من رقائق الركيزة،والفوقيرقائقلإنتاج الأجهزة والتعبئة والتغليف، نضجت السلسلة الصناعية بأكملها، ويمكنها توريد المنتجات ذات الصلة بـ SiC إلى السوق.

Cree هي شركة رائدة في صناعة نمو بلورات SiC وتتمتع بمكانة رائدة في كل من حجم وجودة رقائق الركيزة SiC. تنتج شركة Cree حاليًا 300000 شريحة ركيزة من كربيد السيليكون سنويًا، وهو ما يمثل أكثر من 80% من الشحنات العالمية.

في سبتمبر 2019، أعلنت شركة Cree أنها ستبني منشأة جديدة في ولاية نيويورك بالولايات المتحدة الأمريكية، والتي ستستخدم التكنولوجيا الأكثر تقدمًا لتنمية طاقة بقطر 200 مم ورقائق الركيزة RF SiC، مما يشير إلى أن تقنية إعداد المواد الأساسية 200 مم SiC قد تصبح أكثر نضجا.

في الوقت الحاضر، المنتجات الرئيسية لرقائق الركيزة SiC في السوق هي بشكل أساسي الأنواع الموصلة وشبه المعزولة من 2 إلى 6 بوصات 4H-SiC و6H-SiC.
في أكتوبر 2015، كانت شركة Cree أول من أطلق رقائق الركيزة SiC مقاس 200 مم للنوع N وLED، مما يمثل بداية رقائق الركيزة SiC مقاس 8 بوصات في السوق.
في عام 2016، بدأ Romm في رعاية فريق Venturi وكان أول من استخدم مجموعة IGBT + SiC SBD في السيارة لتحل محل حل IGBT + Si FRD في العاكس التقليدي بقدرة 200 كيلو واط. بعد التحسين، تم تقليل وزن العاكس بمقدار 2 كجم وتقليل الحجم بنسبة 19% مع الحفاظ على نفس الطاقة.

في عام 2017، بعد اعتماد المزيد من SiC MOS + SiC SBD، لم يتم تقليل الوزن بمقدار 6 كجم فحسب، بل تم تقليل الحجم بنسبة 43%، كما تمت زيادة قوة العاكس من 200 كيلووات إلى 220 كيلووات.
بعد أن اعتمدت Tesla الأجهزة المستندة إلى SIC في محولات المحرك الرئيسية لمنتجاتها من الطراز 3 في عام 2018، تم تضخيم تأثير العرض التوضيحي بسرعة، مما جعل سوق السيارات xEV قريبًا مصدرًا للإثارة لسوق SiC. ومع التطبيق الناجح لـ SiC، ارتفعت أيضًا قيمة إنتاج السوق ذات الصلة بسرعة.

تاسعاً: الخاتمة:

مع التحسين المستمر لتقنيات الصناعة ذات الصلة بـ SiC، سيتم تحسين إنتاجيتها وموثوقيتها بشكل أكبر، كما سيتم تخفيض سعر أجهزة SiC، وستكون القدرة التنافسية في السوق لـ SiC أكثر وضوحًا. في المستقبل، سيتم استخدام أجهزة SiC على نطاق أوسع في مجالات مختلفة مثل السيارات والاتصالات وشبكات الطاقة والنقل، وسيكون سوق المنتجات أوسع، وسيتم توسيع حجم السوق بشكل أكبر، ليصبح دعمًا مهمًا للوطن. اقتصاد.