Os principais métodos para o crescimento de monocristais de carboneto de silício incluem Transporte Físico de Vapor (PVT), Crescimento de Solução de Semeadura Superior (TSSG) e Deposição Química de Vapor em Alta Temperatura (HT-CVD).

Entre eles, o método PVT se tornou a principal técnica para produção industrial devido à configuração relativamente simples do equipamento, facilidade de operação e controle, além de menores custos operacionais e de equipamento.

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Principais pontos técnicos do crescimento de cristais de SiC usando o método PVT

Para cultivar cristais de carboneto de silício usando o método PVT, vários aspectos técnicos devem ser cuidadosamente controlados:

1. Pureza de materiais de grafite no campo térmico
   Os materiais de grafite utilizados no campo térmico de crescimento de cristais devem atender a rigorosos requisitos de pureza. O teor de impurezas nos componentes de grafite deve ser inferior a 5 × 10⁻⁶, e nos feltros isolantes, inferior a 10 × 10⁻⁶. Especificamente, os teores de boro (B) e alumínio (Al) devem ser inferiores a 0,1 × 10⁻⁶.

2. Polaridade correta do cristal semente
   Dados empíricos mostram que a face C (0001) é adequada para o crescimento de cristais de 4H-SiC, enquanto a face Si (0001) é apropriada para o crescimento de 6H-SiC.

3. Uso de Cristais de Semente Fora do Eixo
   Sementes fora do eixo podem alterar a simetria do crescimento, reduzir defeitos do cristal e promover melhor qualidade do cristal.

4. Técnica confiável de ligação de cristais de sementes
   A ligação adequada entre o cristal da semente e o suporte é essencial para a estabilidade durante o crescimento.

5. Manter a estabilidade da interface de crescimento
   Durante todo o ciclo de crescimento do cristal, a interface de crescimento deve permanecer estável para garantir o desenvolvimento de cristal de alta qualidade.

 

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Tecnologias Essenciais no Crescimento de Cristais de SiC

1. Tecnologia de dopagem para pó de SiC

A dopagem de pó de SiC com cério (Ce) pode estabilizar o crescimento de um único politipo, como o 4H-SiC. A prática demonstrou que a dopagem com Ce pode:

• Aumentar a taxa de crescimento dos cristais de SiC;

• Melhora a orientação dos cristais para um crescimento mais uniforme e direcional;

• Reduzir impurezas e defeitos;

• Suprime a corrosão traseira do cristal;

• Aumente a taxa de rendimento do cristal único.

2. Controle de gradientes térmicos axiais e radiais

Gradientes axiais de temperatura impactam o politipo e a taxa de crescimento do cristal. Um gradiente muito pequeno pode levar a inclusões politípicas e redução do transporte de material na fase de vapor. A otimização dos gradientes axiais e radiais é fundamental para um crescimento cristalino rápido e estável com qualidade consistente.

3. Tecnologia de controle de deslocamento do plano basal (BPD)

As BPDs se formam principalmente devido à tensão de cisalhamento que excede o limite crítico em cristais de SiC, ativando sistemas de deslizamento. Como as BPDs são perpendiculares à direção de crescimento, elas normalmente surgem durante o crescimento e o resfriamento do cristal. Minimizar a tensão interna pode reduzir significativamente a densidade das BPDs.

4. Controle da proporção da composição da fase de vapor

Aumentar a proporção carbono-silício na fase vapor é um método comprovado para promover o crescimento de politipos únicos. Uma alta proporção C/Si reduz o agrupamento de macroetapas e retém a herança de superfície do cristal semente, suprimindo assim a formação de politipos indesejados.

5. Técnicas de crescimento de baixo estresse

O estresse durante o crescimento do cristal pode levar a planos de rede curvos, rachaduras e maiores densidades de BPD. Esses defeitos podem se estender para camadas epitaxiais e impactar negativamente o desempenho do dispositivo.

Várias estratégias para reduzir o estresse interno do cristal incluem:

• Ajustar a distribuição do campo térmico e os parâmetros do processo para promover um crescimento próximo do equilíbrio;

• Otimização do projeto do cadinho para permitir que o cristal cresça livremente sem restrições mecânicas;

• Melhorar a configuração do suporte de sementes para reduzir a incompatibilidade de expansão térmica entre a semente e o grafite durante o aquecimento, geralmente deixando um espaço de 2 mm entre a semente e o suporte;

• Refinando os processos de recozimento, permitindo que o cristal esfrie com o forno e ajustando a temperatura e a duração para aliviar completamente o estresse interno.

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Tendências na tecnologia de crescimento de cristais de SiC

1. Tamanhos maiores de cristais
Os diâmetros dos monocristais de SiC aumentaram de apenas alguns milímetros para wafers de 6, 8 e até 12 polegadas. Wafers maiores aumentam a eficiência da produção e reduzem custos, ao mesmo tempo em que atendem às demandas de aplicações de dispositivos de alta potência.

2. Maior qualidade de cristal
Cristais de SiC de alta qualidade são essenciais para dispositivos de alto desempenho. Apesar das melhorias significativas, os cristais atuais ainda apresentam defeitos como microtubos, discordâncias e impurezas, que podem degradar o desempenho e a confiabilidade do dispositivo.

3. Redução de custos
A produção de cristais de SiC ainda é relativamente cara, o que limita sua adoção mais ampla. Reduzir custos por meio de processos de crescimento otimizados, maior eficiência de produção e menores custos de matéria-prima é crucial para a expansão das aplicações de mercado.

4. Manufatura Inteligente
Com os avanços em inteligência artificial e tecnologias de big data, o crescimento dos cristais de SiC está caminhando para processos inteligentes e automatizados. Sensores e sistemas de controle podem monitorar e ajustar as condições de crescimento em tempo real, melhorando a estabilidade e a previsibilidade do processo. A análise de dados pode otimizar ainda mais os parâmetros do processo e a qualidade dos cristais.

O desenvolvimento de tecnologia de crescimento de cristais únicos de SiC de alta qualidade é um foco importante na pesquisa de materiais semicondutores. À medida que a tecnologia avança, os métodos de crescimento de cristais continuarão a evoluir e aprimorar-se, fornecendo uma base sólida para aplicações de SiC em dispositivos eletrônicos de alta temperatura, alta frequência e alta potência.