Considerações importantes para a preparação de monocristais de carbeto de silício de alta qualidade

Os principais métodos para a preparação de monocristais de silício incluem: Transporte Físico de Vapor (PVT), Crescimento por Solução com Semente Superior (TSSG) e Deposição Química de Vapor em Alta Temperatura (HT-CVD). Dentre esses, o método PVT é amplamente adotado na produção industrial devido à simplicidade dos equipamentos, facilidade de controle e baixos custos de equipamentos e operação.

Principais pontos técnicos para o crescimento PVT de cristais de carbeto de silício

Ao cultivar cristais de carbeto de silício utilizando o método de Transporte Físico de Vapor (PVT), os seguintes aspectos técnicos devem ser considerados:

1. Pureza dos materiais de grafite na câmara de crescimento: O teor de impurezas nos componentes de grafite deve ser inferior a 5×10⁻⁶, enquanto o teor de impurezas no feltro isolante deve ser inferior a 10×10⁻⁶. Elementos como B e Al devem ser mantidos abaixo de 0,1×10⁻⁶.
2. Seleção correta da polaridade do cristal semente: Estudos empíricos mostram que a face C (0001) é adequada para o crescimento de cristais de 4H-SiC, enquanto a face Si (0001) é usada para o crescimento de cristais de 6H-SiC.
3. Utilização de cristais-semente fora do eixo: Cristais-semente fora do eixo podem alterar a simetria do crescimento cristalino, reduzindo defeitos no cristal.
4. Processo de ligação de cristais-semente de alta qualidade.
5. Manutenção da estabilidade da interface de crescimento cristalino durante o ciclo de crescimento.

Tecnologias-chave para o crescimento de cristais de carbeto de silício

1. Tecnologia de dopagem para pó de carbeto de silício
   A dopagem do pó de carbeto de silício com uma quantidade adequada de cério pode estabilizar o crescimento de monocristais de 4H-SiC. Resultados práticos mostram que a dopagem com cério pode:

• Aumentar a taxa de crescimento dos cristais de carbeto de silício.
• Controlar a orientação do crescimento dos cristais, tornando-o mais uniforme e regular.
• Suprimir a formação de impurezas, reduzindo defeitos e facilitando a produção de cristais monocristalinos e de alta qualidade.
• Inibir a corrosão da parte traseira do cristal e melhorar o rendimento de monocristais.

• Tecnologia de controle de gradiente de temperatura axial e radial
  O gradiente de temperatura axial afeta principalmente o tipo e a eficiência do crescimento cristalino. Um gradiente de temperatura excessivamente pequeno pode levar à formação de cristais policristalinos e reduzir as taxas de crescimento. Gradientes de temperatura axial e radial adequados facilitam o rápido crescimento de cristais de SiC, mantendo a estabilidade da qualidade cristalina.
• Tecnologia de Controle de Deslocamento do Plano Basal (DPB)
  Os defeitos BPD surgem principalmente quando a tensão de cisalhamento no cristal excede a tensão de cisalhamento crítica do SiC, ativando os sistemas de deslizamento. Como os BPDs são perpendiculares à direção de crescimento do cristal, eles se formam principalmente durante o crescimento e resfriamento do cristal.
• Tecnologia de ajuste da proporção da composição da fase vapor
  Aumentar a proporção carbono/silício no ambiente de crescimento é uma medida eficaz para estabilizar o crescimento de monocristais. Uma proporção carbono/silício mais alta reduz o agrupamento de degraus grandes, preserva as informações de crescimento da superfície do cristal semente e suprime a formação de politipos.
• Tecnologia de controle de baixo estresse
  A tensão durante o crescimento de cristais pode causar o encurvamento dos planos cristalinos, levando a uma baixa qualidade dos cristais ou até mesmo ao seu surgimento de fissuras. A alta tensão também aumenta as discordâncias no plano basal, o que pode afetar negativamente a qualidade da camada epitaxial e o desempenho do dispositivo.

Imagem de digitalização de um wafer de SiC de 6 polegadas

Métodos para reduzir o estresse em cristais:

• Ajuste a distribuição do campo de temperatura e os parâmetros do processo para permitir o crescimento de monocristais de SiC próximo ao equilíbrio.
• Otimize a estrutura do cadinho para permitir o crescimento livre de cristais com o mínimo de restrições.
• Modifique as técnicas de fixação do cristal semente para reduzir a diferença de expansão térmica entre o cristal semente e o suporte de grafite. Uma abordagem comum é deixar um espaço de 2 mm entre o cristal semente e o suporte de grafite.
• Aprimorar os processos de recozimento implementando o recozimento in situ em forno, ajustando a temperatura e a duração do recozimento para liberar completamente a tensão interna.

Tendências futuras na tecnologia de crescimento de cristais de carbeto de silício

Olhando para o futuro, a tecnologia de preparação de monocristais de SiC de alta qualidade se desenvolverá nas seguintes direções:

1. Crescimento em grande escala
   O diâmetro dos monocristais de carbeto de silício evoluiu de alguns milímetros para 6 polegadas, 8 polegadas e até mesmo tamanhos maiores, de 12 polegadas. Cristais de SiC de grande diâmetro melhoram a eficiência da produção, reduzem custos e atendem às demandas de dispositivos de alta potência.
2. Crescimento de alta qualidade
   Cristais únicos de SiC de alta qualidade são essenciais para dispositivos de alto desempenho. Embora progressos significativos tenham sido feitos, defeitos como microporos, deslocamentos e impurezas ainda existem, afetando o desempenho e a confiabilidade dos dispositivos.
3. Redução de custos
   O alto custo da preparação de cristais de SiC limita sua aplicação em certos campos. A otimização dos processos de crescimento, a melhoria da eficiência da produção e a redução dos custos de matéria-prima podem ajudar a diminuir as despesas de produção.
4. Crescimento Inteligente
   Com os avanços em IA e big data, a tecnologia de crescimento de cristais de SiC adotará cada vez mais soluções inteligentes. O monitoramento e controle em tempo real por meio de sensores e sistemas automatizados aprimorarão a estabilidade e a controlabilidade do processo. Além disso, a análise de big data pode otimizar os parâmetros de crescimento, melhorando a qualidade do cristal e a eficiência da produção.

A tecnologia de preparação de monocristais de carbeto de silício de alta qualidade é um foco fundamental na pesquisa de materiais semicondutores. À medida que a tecnologia avança, as técnicas de crescimento de cristais de SiC continuarão a evoluir, fornecendo uma base sólida para aplicações em campos de alta temperatura, alta frequência e alta potência.