Considerações importantes para a preparação de cristais únicos de carboneto de silício de alta qualidade

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

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

Ao cultivar cristais de carboneto de silício usando 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. Uso de cristais-semente fora do eixo: cristais-semente fora do eixo podem alterar a simetria do crescimento do cristal, reduzindo defeitos no cristal.
4. Processo de ligação de cristais de sementes de alta qualidade.
5. Manutenção da estabilidade da interface de crescimento do cristal durante o ciclo de crescimento.

Principais tecnologias para o crescimento de cristais de carboneto de silício

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

• Aumentar a taxa de crescimento dos cristais de carboneto de silício.
• Controle a orientação do crescimento dos cristais, tornando-o mais uniforme e regular.
• Suprime a formação de impurezas, reduzindo defeitos e facilitando a produção de cristais monocristais e de alta qualidade.
• Inibe a corrosão traseira do cristal e melhora o rendimento do cristal único.

• Tecnologia de controle de gradiente de temperatura axial e radial
  O gradiente axial de temperatura afeta principalmente o tipo e a eficiência do crescimento dos cristais. Um gradiente de temperatura excessivamente baixo pode levar à formação de policristalinos e reduzir as taxas de crescimento. Gradientes axiais e radiais de temperatura adequados facilitam o rápido crescimento dos cristais de SiC, mantendo a qualidade estável dos cristais.
• Tecnologia de controle de deslocamento do plano basal (BPD)
  Defeitos de BPD surgem principalmente quando a tensão de cisalhamento no cristal excede a tensão de cisalhamento crítica do SiC, ativando sistemas de deslizamento. Como os BPDs são perpendiculares à direção de crescimento do cristal, eles se formam principalmente durante o crescimento e o resfriamento do cristal.
• Tecnologia de ajuste da proporção da composição da fase de vapor
  Aumentar a proporção carbono-silício no ambiente de crescimento é uma medida eficaz para estabilizar o crescimento de monocristais. Uma proporção maior de carbono-silício reduz o agrupamento em grandes etapas, preserva as informações de crescimento da superfície do cristal semente e suprime a formação de politipos.
• Tecnologia de controle de baixo estresse
  O estresse durante o crescimento do cristal pode causar a curvatura dos planos cristalinos, resultando em baixa qualidade do cristal ou até mesmo em rachaduras. O alto estresse também aumenta as discordâncias do plano basal, o que pode afetar negativamente a qualidade da camada epitaxial e o desempenho do dispositivo.

Imagem de varredura de 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 próximo do equilíbrio de cristais únicos de SiC.
• Otimize a estrutura do cadinho para permitir o crescimento livre de cristais com restrições mínimas.
• Modifique as técnicas de fixação do cristal semente para reduzir a incompatibilidade 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.
• Melhore os processos de recozimento implementando o recozimento em forno in-situ, ajustando a temperatura e a duração do recozimento para liberar totalmente o estresse interno.

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

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

1. Crescimento em larga escala
   O diâmetro dos monocristais de carboneto de silício evoluiu de alguns milímetros para tamanhos de 6 polegadas, 8 polegadas e até mesmo 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
   Monocristais de SiC de alta qualidade são essenciais para dispositivos de alto desempenho. Embora tenha havido progresso significativo, defeitos como microtubos, discordâncias 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. Otimizar os processos de crescimento, melhorar a eficiência da produção e reduzir os custos de matéria-prima pode ajudar a reduzir os custos 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 o controle em tempo real por meio de sensores e sistemas automatizados aumentarão a estabilidade e a controlabilidade do processo. Além disso, a análise de big data pode otimizar os parâmetros de crescimento, melhorando a qualidade dos cristais e a eficiência da produção.

A tecnologia de preparação de monocristais de carboneto 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.