Métodos de Preparação de Monocristais de SiC: Foco no Método PVT

Os principais métodos de preparação de monocristais de carboneto de silício (SiC) incluem Transporte Físico de Vapor (PVT), Crescimento por Solução com Semente Superior (TSSG) e Deposição Química de Vapor a Alta Temperatura (HT-CVD).
Entre eles, o método PVT é o mais amplamente adotado na produção industrial devido ao seu equipamento simples, facilidade de controle, custo de equipamento relativamente baixo e despesas operacionais.

Tecnologias Chave no Crescimento PVT de Cristais de SiC

Diagrama esquemático da estrutura de crescimento PVT

Considerações chave para o crescimento de cristais de SiC usando o método de Transporte Físico de Vapor (PVT) incluem:

Pureza dos Materiais de Grafite no Campo Térmico

O teor de impurezas nas peças de grafite deve estar abaixo de 5×10⁻⁶, e o teor de impurezas no feltro isolante deve estar abaixo de 10×10⁻⁶.

As concentrações de boro (B) e alumínio (Al) devem ser inferiores a 0.1×10⁻⁶.

Seleção Correta da Polaridade do Cristal Semente

A face C (0001) é adequada para o crescimento de cristais 4H-SiC.

A face Si (0001) é adequada para o crescimento de cristais 6H-SiC.

Uso de Cristal Semente Fora do Eixo

Sementes fora do eixo alteram a simetria do crescimento e ajudam a reduzir a formação de defeitos no cristal.

Bom Processo de Ligação do Cristal Semente

Garante estabilidade mecânica e uniformidade durante o processo de crescimento.

Interface de Crescimento Estável Durante o Processo

Manter uma interface sólido-gás estável é crucial para a formação de cristais de alta qualidade.

Tecnologias Críticas para o Crescimento de Cristais de SiC

Tecnologia de Doping em Pó de SiC

Doping com cério (Ce) no pó da fonte promove o crescimento estável de cristais 4H-SiC de fase única.

Os benefícios incluem o aumento da taxa de crescimento, melhor controle da orientação, redução de impurezas e defeitos, e maior estabilidade de fase única e qualidade do cristal.

Também ajuda a suprimir a erosão da parte traseira e melhora a cristalinidade única.

Controle dos Gradientes Térmicos Axial e Radial

O gradiente térmico axial afeta a estabilidade do polimorfo e a eficiência do crescimento.

Gradientes baixos podem resultar em polimorfos indesejados e transporte reduzido de material.

Gradientes axial e radial adequados garantem crescimento rápido e qualidade estável do cristal.

Controle de Dislocação do Plano Basal (BPD)

BPDs são causados por tensão de cisalhamento excedendo a tensão de cisalhamento crítica do SiC.

Esses defeitos se formam durante os estágios de crescimento e resfriamento devido à ativação do sistema de deslizamento.

Reduzir a tensão interna minimiza a formação de BPD.

Controle da Razão de Composição da Fase Gasosa

Uma maior razão carbono-silício na fase gasosa ajuda a suprimir a conversão de polimorfos.

Reduz o grande agrupamento de degraus, mantém as informações da superfície de crescimento e aumenta a estabilidade do polimorfo.

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Controle de Crescimento de Baixa Tensão

A tensão interna leva à flexão da rede, rachaduras no cristal e aumento de BPDs, impactando negativamente a epitaxia e o desempenho do dispositivo.

As principais estratégias de redução de tensão incluem:

• Otimização do campo térmico e parâmetros do processo para se aproximar do crescimento em equilíbrio.

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

• Ajuste dos métodos de ligação da semente, por exemplo, deixando uma folga de 2 mm entre a semente e o suporte de grafite para acomodar as diferenças de expansão térmica.

• Controle do recozimento pós-crescimento, incluindo resfriamento in-situ do forno e parâmetros de recozimento otimizados para liberar a tensão residual.

Tendências de Desenvolvimento na Tecnologia de Crescimento de Cristais de SiC
 

No futuro, o crescimento de monocristais de SiC de alta qualidade avançará nas seguintes direções:

Tamanho de Bolacha Maior

O diâmetro da bolacha de SiC cresceu de alguns milímetros para 6 polegadas, 8 polegadas, e até mesmo 12 polegadas.

Bolachas maiores melhoram a eficiência da produção, reduzem custos e atendem aos requisitos de dispositivos de alta potência.

Maior Qualidade

Embora a qualidade do cristal de SiC tenha melhorado significativamente, defeitos como micropipos, dislocações e impurezas ainda persistem.

Eliminar esses defeitos é fundamental para garantir o desempenho e a confiabilidade do dispositivo.

Menor Custo

O alto custo atual dos cristais de SiC limita sua ampla adoção.

A redução de custos pode ser alcançada por meio da otimização do processo, melhoria da eficiência e matérias-primas mais baratas.

Conclusão:

O crescimento de monocristais de SiC de alta qualidade é uma área chave da pesquisa de materiais semicondutores. Com o progresso tecnológico contínuo, as técnicas de crescimento de cristais de SiC evoluirão ainda mais, lançando uma base sólida para sua aplicação em eletrônicos de alta temperatura, alta frequência e alta potência.

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