Considerações Chave para a Produção de Monocristais de Carbeto de Silício (SiC) de Alta Qualidade

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

Dentre estes, PVT é o método mais amplamente adotado na produção industrial devido à sua configuração de equipamento relativamente simples, facilidade de controle e menores custos de equipamento e operacionais.

Destaques Técnicos do Método PVT para o Crescimento de Cristais de SiC

Ao cultivar monocristais de SiC usando o método PVT, os seguintes aspectos técnicos são críticos:

• Pureza dos Materiais de Grafite

A grafite utilizada no campo térmico deve atender a rigorosos requisitos de pureza. O teor de impurezas nas peças de grafite deve ser inferior a 5×10⁻⁶, enquanto os feltros isolantes devem estar abaixo de 10×10⁻⁶. Em particular, o teor de boro (B) e alumínio (Al) deve ser inferior a 0,1×10⁻⁶.​

• Seleção Correta da Polaridade do Cristal Semente

Experimentos demonstraram que a face C (0001) é adequada para o crescimento de 4H-SiC, enquanto a face Si (0001) é usada para o crescimento de 6H-SiC.

• Uso de Cristais Semente Fora do Eixo

Sementes fora do eixo ajudam a quebrar a simetria do crescimento e reduzir defeitos no cristal resultante.

• Processo de Ligação da Semente de Alta Qualidade

A ligação confiável entre o cristal semente e o substrato é essencial para um crescimento estável.

• Manutenção de uma Interface de Crescimento Estável

Durante todo o ciclo de crescimento, é crucial manter a estabilidade da interface de crescimento do cristal para garantir uma qualidade uniforme.

Tecnologias Centrais no Crescimento de Cristais de SiC

• Tecnologia de Dopagem em Pó de SiC

  A dopagem do pó de carbeto de silício com cério (Ce) promove o crescimento estável de 4H-SiC de único politipo. Esta técnica de dopagem pode:

   

  • Aumentar a taxa de crescimento;

  • Melhorar a orientação cristalográfica;

  • Suprimir a incorporação de impurezas e a formação de defeitos;

  • Melhorar o rendimento de cristais de alta qualidade;

  • Prevenir a corrosão na parte traseira e aumentar a monocristalinidade.

• Controle do Gradiente de Temperatura Axial e Radial

  O gradiente axial afeta significativamente a morfologia do cristal e a eficiência do crescimento. Um gradiente muito pequeno pode levar à mistura de politipos e à redução do transporte de vapor. Gradientes axiais e radiais ideais suportam um crescimento de cristal rápido e estável.

• Controle de Dislocações no Plano Basal (BPD)

  BPDs surgem quando a tensão de cisalhamento interna excede o limiar crítico, tipicamente durante o crescimento e resfriamento. O gerenciamento dessas tensões é fundamental para minimizar os defeitos BPD.

• Controle da Razão de Composição da Fase Gasosa

  Aumentar a razão carbono-silício na fase vapor ajuda a estabilizar o crescimento de politipo único e impede o agrupamento de macro-etapas, suprimindo assim a formação de politipos.

• Técnicas de Crescimento de Cristal de Baixa Tensão

  A tensão interna pode levar à distorção da rede cristalina, rachaduras no cristal e aumento da densidade de dislocações, o que degrada a qualidade do cristal e o desempenho do dispositivo a jusante. A tensão pode ser mitigada através de:

   

  • Otimização do campo de temperatura e do processo para crescimento próximo ao equilíbrio;

  • Redesenho da estrutura do cadinho para permitir a expansão livre do cristal;

  • Melhoria dos métodos de montagem da semente, deixando uma folga de 2 mm entre a semente e o suporte de grafite para reduzir a incompatibilidade da expansão térmica;

  • Recozimento do cristal no forno para liberar a tensão residual, com ajuste cuidadoso da temperatura e duração.

Tendências Futuras na Tecnologia de Crescimento de Monocristais de SiC

• Tamanho Maior do Cristal

  O diâmetro dos monocristais de SiC cresceu de alguns milímetros para wafers de 6 polegadas, 8 polegadas e até 12 polegadas. O aumento da escala melhora a eficiência da produção, reduz o custo por unidade e atende às necessidades de dispositivos de alta potência.

• Maior Qualidade do Cristal

  Embora os cristais atuais estejam muito melhorados, ainda existem desafios, como micropipos, dislocações e impurezas. Eliminar esses defeitos é fundamental para obter dispositivos de maior desempenho.

• Redução de Custos

  O alto custo do crescimento de cristais de SiC é uma barreira para a adoção generalizada. Reduzir os custos por meio da otimização do processo, melhor utilização de recursos e matérias-primas mais baratas é uma área-chave de pesquisa.

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• Manufatura Inteligente

  Com os avanços em IA e big data, o crescimento inteligente de cristais está no horizonte. Sensores e sistemas de controle automatizados podem monitorar e ajustar as condições em tempo real, melhorando a estabilidade e a reprodutibilidade. A análise de dados pode refinar ainda mais o processo para aumentar o rendimento e a qualidade.