تتميز مواد كربيد السيليكون بمزايا مثل فجوة النطاق الواسعة، وقوة مجال الانهيار العالية، وحركة الناقل السريعة، والتوصيل الحراري العالي. هناك نوعان من المنتجات-شبه-عازلة وموصلة-يمكنهما تلبية احتياجات التصنيع لأجهزة التردد اللاسلكي وأجهزة الطاقة الإلكترونية، ويتم استخدامهما على نطاق واسع في اتصالات 5G، وإلكترونيات الرادار، ومركبات الطاقة الجديدة، وتخزين الطاقة، وغيرها من المجالات، مما يؤثر على أمن الدفاع الوطني والتنمية الاقتصادية. باعتبارها مادة استراتيجية، تعد ركائز كربيد السيليكون ذات القدرة على التحكم المستقل أمرًا أساسيًا لضمان تنفيذ السلاسل الصناعية الرئيسية الوطنية والمهام الرئيسية، كما أنها جوهر حماية التنمية الاقتصادية الوطنية.
مسحوق كربيد السيليكون هو المادة الخام الرئيسية لزراعة ركائز كربيد السيليكون. في الوقت الحاضر، تتبنى الصناعة بشكل أساسي طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT) لتصنيع مسحوق كربيد السيليكون في سبائك بلورية مفردة من كربيد السيليكون -، ومن ثم من خلال التقريب والقطع والطحن والتلميع والتنظيف، يتم الحصول على ركائز بلورية مفردة من كربيد السيليكون - بخشونة سطح أقل من 0.1 نانومتر. يتم تقسيم مسحوق كربيد السيليكون عن طريق الاستخدام إلى -مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء ومسحوق كربيد السيليكون المخدر بالنيتروجين-. يستخدم مسحوق كربيد السيليكون عالي النقاء - بشكل أساسي لإنتاج ركائز كربيد السيليكون شبه العازلة -. تتمتع-الركائز شبه العازلة بمقاومة عالية نسبيًا وتستخدم بشكل أساسي في تصنيع أجهزة الترددات اللاسلكية بالموجات الدقيقة، والتي تعمل كمكونات أساسية في مجال الاتصالات اللاسلكية. يستخدم مسحوق كربيد السيليكون المشوب بالنيتروجين- بشكل أساسي لإنتاج ركائز كربيد السيليكون الموصلة. الركائز الموصلة لها مقاومة منخفضة نسبيا. يمكن استخدام الرقائق الفوقية من كربيد السيليكون المزروعة من ركائز كربيد السيليكون الموصلة بشكل أكبر في صنع أجهزة الطاقة، وتستخدم على نطاق واسع في مركبات الطاقة الجديدة، والخلايا الكهروضوئية، والشبكات الذكية، والنقل بالسكك الحديدية، وغيرها من المجالات.
يتم إنتاج مسحوق كربيد السيليكون بشكل عام عن طريق تفاعل مسحوق الكربون ومسحوق السيليكون بنسبة 1:1 عند درجة حرارة عالية تبلغ 2000 درجة لتكوين مسحوق كربيد السيليكون. تعتمد درجة العيوب أثناء نمو سبائك كربيد السيليكون بشكل كبير على مسحوق كربيد السيليكون. ولذلك، فإن مسحوق كربيد السيليكون له تأثير مهم على جودة البلورات والركائز، بما في ذلك حجم الجسيمات، والشوائب، وشكل بلورات المسحوق، ومحتوى النيتروجين في مسحوق كربيد السيليكون. ومن بين هذه العوامل، يؤثر حجم الجسيمات على معدل التبلور وجودته، كما أن محتوى عنصر الشوائب له تأثير مهم على الخواص الكهربائية لكربيد السيليكون.
01
تأثير حجم جسيمات المسحوق على البلورات
يؤثر حجم جسيمات مسحوق كربيد السيليكون بشكل مباشر على النسبة المولية لمكون السيليكون إلى مكون الكربون في الطور الغازي، وبالتالي يؤثر على نمو البلورة الفردية-. يزداد الضغط الكلي ونسبة السيليكون - إلى - الكربون في نظام النمو مع انخفاض حجم الجسيمات. عندما ينخفض حجم الجسيمات من 2–3 مم إلى 0.06 مم، تزيد نسبة السيليكون - إلى - الكربون من 1.3 إلى 4.0. عندما تصبح الجزيئات صغيرة إلى حد معين، يزداد الضغط الجزئي لـ Si، مما يشكل طبقة Si على السطح البلوري المتنامي، مما يؤدي إلى نمو صلب بخار-سائل-، مما يؤثر على الأنواع المتعددة البلورية، وعيوب النقاط، وعيوب الخطوط، ويؤثر على مراقبة جودة البلورات.
بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون حجم جسيم مسحوق كربيد السيليكون صغيرًا نسبيًا، يتحلل المسحوق بسرعة نسبيًا، مما يتسبب في أن يكون معدل نمو بلورة كربيد السيليكون المفردة سريعًا جدًا. فمن ناحية، في بيئة درجة الحرارة المرتفعة-لنمو بلورة SiC المفردة-، تتم عمليات التركيب والتحلل في وقت واحد. سوف يتحلل مسحوق كربيد السيليكون ويشكل أطوارًا غازية مثل Si وSi2C وSiC2 بالإضافة إلى كربون الطور الصلب -، مما يؤدي إلى كربنة شديدة نسبيًا للمسحوق متعدد البلورات وتكوين شوائب كربون في البلورة. من ناحية أخرى، عندما يكون معدل تحلل المسحوق سريعًا نسبيًا، يكون الهيكل البلوري لبلورة SiC المفردة المتنامية عرضة للتغيير، مما يجعل من الصعب التحكم في جودة بلورة SiC المفردة المزروعة.
02
تأثير الشوائب على البلورات
يؤثر محتوى الشوائب في مسحوق كربيد السيليكون على النواة التلقائية أثناء نمو البلورات. كلما زاد محتوى الشوائب، قلت إمكانية تكون النواة البلورية التلقائية. وتشمل الشوائب المعدنية الرئيسية B، Al، V، وNi. بالإضافة إلى ذلك، B وAl هما الشوائب الرئيسية ذات المستوى الضحل -في SiC، مما يؤدي إلى انخفاض في مقاومة كربيد السيليكون. تقدم الشوائب المعدنية الأخرى مستويات طاقة متعددة، مما يتسبب في عدم استقرار الخواص الكهربائية لبلورات كربيد السيليكون المفردة عند درجات حرارة عالية، ولها تأثير كبير نسبيًا على الخواص الكهربائية، وخاصة المقاومة، للركائز البلورية المفردة-النقاء العالية-العازلة-.
03
تأثير شكل مسحوق البلورات على البلورات
يعد نمو PVT لبلورات SiC المفردة عبارة عن عملية إعادة بلورة -تسامي يتم إجراؤها عند درجة حرارة عالية. إن الشكل البلوري للمادة الخام من SiC له تأثير مهم على نمو البلورات. أثناء تصنيع المسحوق، يتم إنتاج مرحلة تركيب ذات درجة حرارة منخفضة- بشكل رئيسي مع بنية خلية وحدة مكعبة ( -SiC) ومرحلة تركيب ذات درجة حرارة عالية- مع بنية خلية وحدة سداسية ( -SiC). يحتوي كربيد السيليكون على العديد من الأشكال البلورية، ونطاق التحكم في درجة الحرارة ضيق نسبيًا. على سبيل المثال، 3C-SiC سوف يتحول إلى أنواع متعددة من كربيد السيليكون السداسية، وهي 4H/6H-SiC، فوق 1900 درجة.
أثناء نمو البلورة الفردية-، عند استخدام مسحوق -SiC لنمو البلورات، تكون النسبة المولية للسيليكون-إلى-الكربون أكبر من 5.5، بينما عند استخدام مسحوق -SiC لنمو البلورات، تكون النسبة المولية للسيليكون-إلى-الكربون 1.2. عندما ترتفع درجة الحرارة، يحدث تحول طوري في البوتقة. في هذا الوقت، تصبح النسبة المولية في الطور الغازي أكبر، وهو أمر غير مناسب لنمو البلورات. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية تحويل الطور، يتم بسهولة إنشاء شوائب أخرى في الطور الغازي، بما في ذلك الكربون والسيليكون وثاني أكسيد السيليكون وما إلى ذلك. ويتسبب وجود هذه الشوائب في تكاثر العيوب مثل الأنابيب الدقيقة والفراغات في البلورة. ولذلك، يجب التحكم بدقة في الشكل البلوري للمسحوق.
04
تأثير محتوى النيتروجين في المسحوق على البلورات
يحدد مستوى محتوى النيتروجين مقاومة الركيزة البلورية-المفردة. تحتاج الشركات المصنعة الكبرى إلى ضبط تركيز المنشطات النيتروجينية في المسحوق المركب وفقًا لعمليات نمو البلورات الناضجة أثناء تصنيع المسحوق. تعد الركائز البلورية المفردة-شبه-من كربيد السيليكون العازلة-عالية النقاء من أكثر المواد الواعدة للمكونات الإلكترونية الأساسية العسكرية. لنمو ركائز بلورية مفردة - شبه عازلة عالية النقاء - ذات مقاومة عالية وخصائص كهربائية ممتازة، يجب التحكم في محتوى شوائب النيتروجين الرئيسية في الركيزة عند مستوى منخفض نسبيًا. تتطلب الركائز البلورية المفردة الموصلة- التحكم في محتوى النيتروجين بتركيز عالٍ نسبيًا.