Desde sua descoberta, o carbeto de silício tem atraído grande atenção. O carbeto de silício é composto por metade de átomos de Si e metade de átomos de C, que são conectados por ligações covalentes através de pares de elétrons que compartilham orbitais híbridos sp3. Na unidade estrutural básica de seu monocristal, quatro átomos de Si estão dispostos em uma estrutura tetraédrica regular, e o átomo de C está localizado no centro do tetraedro regular. Por outro lado, o átomo de Si também pode ser considerado o centro do tetraedro, formando assim a estrutura tetraédrica SiC4 ou CSi4. A ligação covalente no SiC é altamente iônica e a energia de ligação silício-carbono é muito alta, cerca de 4,47 eV. Devido à baixa energia de falha de empilhamento, os cristais de carbeto de silício formam facilmente vários politipos durante o processo de crescimento. Existem mais de 200 politipos conhecidos, que podem ser divididos em três categorias principais: cúbico, hexagonal e trigonal.
Atualmente, os principais métodos de crescimento de cristais de SiC incluem o Método de Transporte Físico de Vapor (método PVT), a Deposição Química de Vapor em Alta Temperatura (método HTCVD), o Método de Fase Líquida, etc. Dentre eles, o método PVT é o mais consolidado e adequado para a produção industrial em massa.
O chamado método PVT refere-se à colocação de cristais-semente de SiC no topo do cadinho e de pó de SiC como matéria-prima no fundo do cadinho. Em um ambiente fechado de alta temperatura e baixa pressão, o pó de SiC sublima e migra para cima sob a ação do gradiente de temperatura e da diferença de concentração. O método consiste em transportá-lo para a proximidade dos cristais-semente e, em seguida, recristalizá-lo após atingir um estado de supersaturação. Este método permite o crescimento controlado do tamanho dos cristais de SiC e a obtenção de formas cristalinas específicas.
No entanto, o uso do método PVT para o crescimento de cristais de SiC exige a manutenção constante de condições de crescimento adequadas durante o longo processo, caso contrário, ocorrerá desordem na rede cristalina, afetando a qualidade do cristal. Além disso, o crescimento de cristais de SiC ocorre em um ambiente fechado. Existem poucos métodos de monitoramento eficazes e muitas variáveis, o que dificulta o controle do processo.
No processo de crescimento de cristais de SiC pelo método PVT, o modo de crescimento por fluxo em degraus (Step Flow Growth) é considerado o principal mecanismo para o crescimento estável de uma forma monocristalina.
Os átomos de Si e C vaporizados se ligarão preferencialmente aos átomos da superfície do cristal no ponto de inflexão, onde nuclearão e crescerão, fazendo com que cada degrau flua paralelamente. Quando a largura do degrau na superfície do cristal excede em muito o livre caminho de difusão dos adátomos, um grande número deles pode se aglomerar, e o modo de crescimento bidimensional em forma de ilha formado destruirá o modo de crescimento por fluxo de degraus, resultando na perda de informações da estrutura cristalina 4H e gerando múltiplos defeitos. Portanto, o ajuste dos parâmetros do processo deve controlar a estrutura dos degraus da superfície, suprimindo assim a geração de defeitos polimórficos, atingindo o objetivo de obter uma forma monocristalina e, em última análise, preparar cristais de alta qualidade.
Sendo o método de crescimento de cristais de SiC mais antigo já desenvolvido, o método de transporte físico de vapor (PVD) é atualmente o mais utilizado para o crescimento de cristais de SiC. Comparado a outros métodos, este apresenta menores requisitos de equipamentos, um processo de crescimento simples, alto grau de controle, pesquisa e desenvolvimento relativamente abrangentes e já alcançou aplicação industrial. A vantagem do método HTCVD é a capacidade de crescer wafers condutores (n, p) e semi-isolantes de alta pureza, além de controlar a concentração de dopagem, permitindo ajustar a concentração de portadores no wafer entre 3×10¹³~5×10¹⁹/cm³. As desvantagens são a alta complexidade técnica e a baixa participação de mercado. À medida que a tecnologia de crescimento de cristais de SiC em fase líquida continua a amadurecer, ela demonstrará grande potencial para impulsionar toda a indústria de SiC no futuro e provavelmente representará um novo ponto de virada no crescimento de cristais de SiC.
Data da publicação: 16 de abril de 2024