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

Dentre essas, o método PVT tornou-se a principal técnica para a produção industrial devido à sua configuração de equipamentos relativamente simples, facilidade de operação e controle, e menores custos de equipamentos e operacionais.

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Principais aspectos técnicos do crescimento de cristais de SiC utilizando o método PVT

Para cultivar cristais de carbeto 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, para feltros isolantes, inferior a 10×10⁻⁶. Especificamente, os teores de boro (B) e alumínio (Al) devem ser inferiores a 0,1×10⁻⁶ cada.

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. Utilização de cristais-semente fora do eixo
   Sementes fora do eixo podem alterar a simetria de crescimento, reduzir defeitos cristalinos e promover melhor qualidade do cristal.

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

5. Manutenção da 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 cristais 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 do pó de SiC com cério (Ce) pode estabilizar o crescimento de um único politipo, como o 4H-SiC. A prática tem demonstrado que a dopagem com Ce pode:

• Aumentar a taxa de crescimento dos cristais de SiC;

• Melhorar a orientação dos cristais para um crescimento mais uniforme e direcionado;

• Reduzir impurezas e defeitos;

• Suprimir a corrosão da parte traseira do cristal;

• Aumentar a taxa de rendimento de monocristais.

2. Controle de gradientes térmicos axiais e radiais

Os gradientes de temperatura axial influenciam o politipo cristalino e a taxa de crescimento. Um gradiente muito pequeno pode levar à formação de inclusões politípicas e à redução do transporte de material na fase vapor. A otimização dos gradientes axial e radial é crucial para um crescimento cristalino rápido e estável, com qualidade consistente.

3. Tecnologia de Controle de Deslocamento do Plano Basal (DPB)

Os defeitos de empilhamento em forma de B (BPDs) se formam principalmente devido à tensão de cisalhamento que excede o limite crítico em cristais de SiC, ativando os sistemas de deslizamento. Como os BPDs são perpendiculares à direção de crescimento, eles geralmente surgem durante o crescimento e resfriamento do cristal. Minimizar a tensão interna pode reduzir significativamente a densidade de BPDs.

4. Controle da proporção da composição da fase vapor

Aumentar a proporção carbono/silício na fase vapor é um método comprovado para promover o crescimento de um único politipo. Uma alta proporção C/Si reduz o agrupamento de macrodegraus e preserva a herança superficial do cristal semente, suprimindo assim a formação de politipos indesejados.

5. Técnicas de crescimento com baixo estresse

O estresse durante o crescimento de cristais pode levar à curvatura dos planos da rede cristalina, fissuras e maiores densidades de defeitos de empilhamento. Esses defeitos podem se propagar para as camadas epitaxiais e impactar negativamente o desempenho do dispositivo.

Diversas estratégias para reduzir a tensão interna dos cristais incluem:

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

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

• Melhorar a configuração do suporte de sementes para reduzir a diferença 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;

• Aprimoramento dos processos de recozimento, permitindo que o cristal esfrie dentro do forno e ajustando a temperatura e a duração para aliviar completamente a tensão interna.

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Tendências na tecnologia de crescimento de cristais de SiC

1. Tamanhos de cristal maiores
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 os custos, atendendo às demandas de aplicações de dispositivos de alta potência.

2. Qualidade superior dos cristais
Cristais de SiC de alta qualidade são essenciais para dispositivos de alto desempenho. Apesar das melhorias significativas, os cristais atuais ainda apresentam defeitos como microporos, deslocamentos 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 em larga escala. Reduzir custos por meio de processos de crescimento otimizados, aumento da eficiência da produção e diminuição dos custos de matéria-prima é crucial para expandir as aplicações de mercado.

4. Manufatura Inteligente
Com os avanços em inteligência artificial e tecnologias de big data, o crescimento de 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 do cristal.

O desenvolvimento de tecnologia de crescimento de monocristais 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.