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1. Contexto e Indústria

O rápido progresso tecnológico e a crescente demanda por produtos inteligentes de alta eficiência solidificaram ainda mais a indústria de circuitos integrados (CI) como um pilar estratégico do desenvolvimento nacional. Como base do ecossistema de CI, o silício monocristalino de grau semicondutor é fundamental tanto para a inovação tecnológica quanto para o crescimento econômico.

De acordo com a International Semiconductor Industry Association, o mercado global de wafers de silício registrou $12,6 bilhões em vendas, com remessas atingindo 14,2 bilhões de polegadas quadradas. A demanda continua a aumentar constantemente.

A indústria é altamente concentrada: os cinco principais fornecedores representam mais de 85% da participação de mercado global — Shin-Etsu Chemical (Japão), SUMCO (Japão), GlobalWafers, Siltronic (Alemanha), e SK Siltron (Coreia do Sul) — o que ressalta a forte dependência da China em relação à importação de wafers de silício monocristalino. Essa dependência é um gargalo fundamental que restringe o desenvolvimento de CI do país. Fortalecer a P&D e a capacidade de produção doméstica é, portanto, imperativo.

2. Silício Monocristalino: Visão Geral do Material

O silício monocristalino sustenta a microeletrônica moderna; mais de 90% de chips de CI e dispositivos eletrônicos são fabricados em silício. Seu domínio decorre de vários atributos:

• Abundância e Segurança Ambiental: O silício é abundante na crosta terrestre, não tóxico e ecologicamente correto.

• Isolamento Elétrico e Óxido Nativo: O silício fornece naturalmente isolamento elétrico; após a oxidação térmica, ele forma SiO₂, um dielétrico de alta qualidade que impede a perda de carga.

• Infraestrutura de Fabricação Madura: Décadas de desenvolvimento de processos produziram um ecossistema de crescimento e fabricação de wafers profundamente refinado e escalável.

Estruturalmente, o silício monocristalino é uma rede contínua e periódica de átomos de silício — o substrato essencial para a fabricação de chips.

Fluxo do processo (nível alto): O minério de silício é refinado para produzir silício policristalino, que é então fundido e cultivado em um lingote monocristalino em um forno de crescimento de cristal. O lingote é fatiado, lapidado, polido e limpo para produzir wafers para processamento de semicondutores.

Classes de wafers:

• Grau semicondutor: Pureza ultra-alta (até 99,999999999%, “11 noves”) e estritamente monocristalino, com requisitos rigorosos de qualidade do cristal e limpeza da superfície.

• Grau fotovoltaico: Pureza inferior (99,99%–99,9999%) e especificações menos exigentes de qualidade do cristal e superfície.

Os wafers de grau semicondutor também exigem planicidade, suavidade da superfície e limpeza superiores, aumentando a complexidade do processo e o valor do uso final.

Evolução do diâmetro e economia: Os padrões da indústria progrediram de 4 polegadas (100 mm) e 6 polegadas (150 mm) para 8 polegadas (200 mm) e 12 polegadas (300 mm) wafers. Diâmetros maiores fornecem mais área de matriz utilizável por execução de processo, melhorando a eficiência de custos e reduzindo as perdas nas bordas — uma evolução impulsionada pela Lei de Moore e pela economia de fabricação. Na prática, o tamanho do wafer é compatível com a aplicação e o custo: por exemplo, a memória geralmente usa 300 mm, enquanto muitos dispositivos de energia permanecem em 200 mm.

Através de processos precisos — fotolitografia, implantação iônica, corrosão, deposição e tratamentos térmicos — os wafers de silício permitem uma ampla gama de dispositivos: retificadores de alta potência, MOSFETs, BJTs e componentes de comutação que alimentam IA, 5G, eletrônicos automotivos, IoT e aeroespacial — motores centrais de crescimento econômico e inovação.

3. Tecnologia de Crescimento de Silício Monocristalino

O Método Czochralski (CZ)

Proposto por Jan Czochralski em 1917, o método CZ (puxamento de cristal) produz eficientemente grandes cristais únicos de alta qualidade a partir da fusão. Hoje, é a abordagem dominante para o silício: aproximadamente 98% dos componentes eletrônicos são baseados em silício, e ~85% desses dependem de wafers CZ-grown. CZ é favorecido por sua qualidade de cristal, diâmetro controlável, taxas de crescimento relativamente rápidas e alta produtividade.

Princípio e equipamento: O processo CZ opera em alta temperatura em condições de vácuo/inertes dentro de um forno de crescimento de cristal. O silício policristalino é carregado em um cadinho e fundido. Um cristal semente entra em contato com a superfície da fusão; controlando com precisão a temperatura, a taxa de puxamento e a rotação da semente e do cadinho, os átomos na interface fusão-sólido se solidificam em um único cristal com a orientação e o diâmetro desejados.

Estágios típicos do processo:

1. Preparação e Carregamento da Ferramenta: Desmontar, limpar e recarregar o forno; remover contaminantes de quartzo, grafite e outros componentes.

2. Bombear, Retornar e Fundir: Evacuar para vácuo, introduzir argônio e aquecer para fundir totalmente a carga de silício.

3. Semeadura e Crescimento Inicial: Abaixar a semente na fusão e estabelecer uma interface sólido-líquido estável.

4. Ombreamento e Controle de Diâmetro: Expandir para o diâmetro alvo e manter o controle rigoroso por meio de feedback de temperatura e taxa de puxamento.

5. Puxamento Constante: Manter o crescimento uniforme no diâmetro definido.

6. Término e Resfriamento: Concluir o cristal, desligar e descarregar o lingote.

Executado corretamente, o método CZ produz silício monocristalino de grande diâmetro e baixo defeito, adequado para fabricação avançada de semicondutores.

4. Desafios e Direções de Produção

A escalabilidade para diâmetros maiores, preservando a perfeição do cristal, apresenta desafios significativos, particularmente em previsão e controle de defeitos:

• Variabilidade de Qualidade e Perda de Rendimento: À medida que o diâmetro aumenta, os campos térmicos, de fluxo e magnéticos dentro do forno se tornam mais complexos. Gerenciar esses efeitos multifísicos acoplados é difícil, levando a inconsistências na qualidade do cristal e menores rendimentos.

• Limitações do Sistema de Controle: As estratégias atuais enfatizam parâmetros macroscópicos (por exemplo, diâmetro, taxa de puxamento). O controle de defeitos em pequena escala ainda depende muito da experiência humana, que é cada vez mais inadequada para os requisitos de CI em micro/nanoescala.