Materiais cristalinos de semicondutores avançados

O carburo de silício (SiC) tornou-se um dos materiais mais estratégicos na eletrônica de potência, dispositivos de RF e plataformas de semicondutores de próxima geração.O transporte físico de vapor (PVT) continua a ser o método industrial dominante para a produção de cristais únicos de SiC a granel de alta qualidade.

No processo PVT, o pó de SiC de alta pureza é sublimado termicamente numa câmara de crescimento selada, e as espécies de vapor são transportadas e recondensadas num cristal de semente,formando uma bola de SiC de um só cristalUm sistema de crescimento PVT típico consiste em três subsistemas fortemente acoplados: controlo de temperatura, controlo de pressão e montagem de crescimento de cristais.

1Arquitetura do Sistema de Crescimento PVT

1.1 Sistema de controlo de temperatura

Dois modos de aquecimento são comumente utilizados em fornos SiC PVT:

• Aquecimento por indução (10100 kHz):
  Uma bobina de quartzo de duas camadas resfriada a água induz correntes de redemoinho no crisol de grafite, gerando calor.

• Resistência de aquecimento:
  Um aquecedor de grafite produz calor de Joule, que é transferido para o cadinho por radiação e, em seguida, para o pó de SiC por condução.

Em comparação com o aquecimento por resistência, o aquecimento por indução oferece maior eficiência, menor custo de manutenção e um design de forno mais simples,Mas é mais sensível a perturbações externas e requer um controlo de campo térmico mais sofisticado..

1.2 Sistema de controlo da pressão

O sistema de pressão primeiro evacua a câmara para um alto vácuo, em seguida, introduz uma quantidade controlada de gás inerte (normalmente argônio).,O transporte de vapor e a condensação são fortemente dependentes da pressão.

1.3 Reunião de crescimento de cristais

A principal região de crescimento é constituída por:

• Crustáceo de grafite

• Pó de fonte de SiC

• Cristal de sementes

A altas temperaturas, o pó de SiC se decompõe em espécies de vapor como Si, Si2C e SiC2.onde se recombinam e cristalizam em SiC monocristalino.

2- Engenharia de cristais e estruturas internas

A geometria interna do cadinho afeta fortemente o tamanho do cristal, a uniformidade de crescimento e a densidade de defeito.

O trabalho inicial de SiCrystal (Alemanha) usou divisórias de grafite para forçar a nucleação parasítica em superfícies de sacrifício, permitindo que o cristal principal crescesse.A DENSO introduziu placas de blindagem móveis e guias de fluxo cônicos para controlar o transporte de vapor e melhorar a uniformidade das bordas.

Os desenvolvimentos posteriores incluem:

• Paredes de filtragem de gases (II-VI, SiCrystal)

• Camadas de purificação da fonte (TankeBlue, China)

• Detentores móveis de sementes e zonas de crescimento ajustáveis (Instituto de Física, CAS; SKC; Showa Denko; Tianyue Advanced)

Mais recentemente, a atenção mudou para o controlo dinâmico da zona de crescimento, como a elevação da semente ou do pó de origem para manter uma diferença de temperatura estável e permitir maiores diâmetros de bolas..

3. Desenho e Orientação de Cristal de Semente

O crescimento do SiC é altamente anisotrópico. A orientação cristalográfica da semente determina diretamente a taxa de crescimento, a formação de defeitos e a estabilidade do politipo.

Os principais desenvolvimentos históricos incluem:

• Siemens (1989): (0001) face polar

• Toyota (1997): faces fora do eixo inclinadas 20°55°

• Wolfspeed (2005): pequena inclinação entre o eixo c e o gradiente térmico

• Bridgestone (2008): superfícies de sementes convexas para suprimir micropipes

A engenharia de superfície reduz ainda mais os defeitos:

• Grelhas e texturas periódicas (Nippon Steel, HOYA, Fuji Electric)

• Microestruturas ocas para controlar o fluxo de passos

4Engenharia de sementes de grande diâmetro

Uma vez que sementes nativas de grande porte não estão disponíveis, a tecnologia de sementes de mosaico é amplamente utilizada.

• TankeBlue (2016): pequenas sementes ligadas → bolinhas de 150 mm

• Universidade de Shandong (2019): mosaico + epitaxia lateral e superficial → sementes ≥ 8 polegadas

Esta abordagem é agora central para 200 mmWafer de SiCdesenvolvimento.

5Parâmetros críticos de crescimento do SiC

5.1 Gradiente de temperatura

Como a medição direta dentro do cadinho é impossível, ferramentas de simulação numérica (por exemplo, Reator Virtual) são usadas para estimar campos de temperatura interna.Os gradientes axial e radial determinam a direção do transporte de vapor, supersaturação e morfologia cristalina.

5.2 Taxa de crescimento

A taxa de crescimento do SiC aumenta quando:

• A temperatura sobe.

• Aumento do gradiente de temperatura das sementes

• A pressão da câmara diminui

• Fonte  diminuição da distância entre as sementes

No entanto, taxas de crescimento excessivas podem induzir defeitos, instabilidade do politipo e estresse.

5.3 Química do vapor

A relação C/Si é o parâmetro termodinâmico mais crítico:

• Baixo C/Si → favorece 3C-SiC

• Vapor rico em carbono → estabiliza 4H-SiC

A composição do gás, os dopantes e a pressão do gás inerte determinam conjuntamente a supersaturação, o politipo e a uniformidade do doping.

6. Perspectivas

O crescimento de cristal único de SiC moderno é um problema de otimização de multifísica, envolvendo:

• Purificação do pó e tamanho das partículas

• Projeto do cadinho e do guia

• Orientação da semente e topologia da superfície

• Controle dinâmico da temperatura e da pressão

Para aumentar as bolas para além de 200 mm, as principais estratégias são o alargamento da zona de crescimento e as sementes de mosaico de grande área.Controle da química do vapor, e engenharia de fontes.

Como os veículos elétricos, módulos de energia de IA, e redes de alta tensão impulsionam a demanda de SiC,O domínio da física do crescimento de cristais PVT continuará a ser a principal vantagem competitiva na indústria global de semicondutores de banda larga.