Princípio do método PVT para o crescimento de cristais de carbeto de silício (SiC)

O método PVT, cujo nome completo é Transporte Físico de Vapor, é um método comum para o crescimento de carbeto de silício (SiCCristais de silício sob alta temperatura e alta pressão. Seu princípio básico consiste em aquecer o pó de carbeto de silício até a sublimação a uma temperatura acima de 2300 °C e em um ambiente de baixa pressão próximo ao vácuo, formando um gás de reação contendo componentes gasosos como Si, Si₂C e SiC₂. Devido às diferentes pressões parciais na fase gasosa dos componentes Si e C formados pela reação de sublimação na fase sólida, a proporção estequiométrica Si/C varia com a distribuição do campo térmico. Portanto, é necessário controlar a distribuição e o transporte dos componentes na fase gasosa para garantir que eles alcancem as posições de cristalização específicas na câmara de crescimento.

Para evitar a cristalização desordenada em fase gasosa e a formação de carbeto de silício policristalino, cristais-semente de carbeto de silício são colocados no topo da câmara de crescimento. Sob a ação da supersaturação em fase gasosa, os componentes gasosos se depositam na superfície do cristal-semente, formando monocristais de carbeto de silício. Todo o processo de reação ocorre em uma câmara de crescimento fechada, onde todos os parâmetros do sistema de reação são controlados. Qualquer flutuação nas condições de crescimento afetará a estabilidade do crescimento do monocristal.

Além disso, as diferentes estruturas compactas dos monocristais de carbeto de silício, em termos de sua orientação cristalina, levam a diversas conexões atômicas e métodos de ligação, formando assim mais de 200 formas cristalinas de isômeros de carbeto de silício. A barreira de conversão de energia entre as diferentes formas cristalinas é extremamente baixa, portanto, a transformação da forma cristalina é muito provável de ocorrer no sistema de crescimento de monocristais PVT, resultando em formas cristalinas desordenadas e diversos defeitos de cristalização. Assim, é necessário utilizar equipamentos de inspeção específicos para detectar a forma cristalina e os diversos defeitos do lingote de cristal.

O processo de preparação do carbeto de silício apresenta requisitos extremamente elevados, que se manifestam principalmente nos seguintes aspectos:

• Existem muitas impurezas ambientais no processo de síntese do pó de carbeto de silício, o que dificulta a obtenção de um pó de alta pureza. A reação incompleta entre o pó de silício e o pó de carbono, utilizados como reagentes, pode causar um desequilíbrio na proporção Si/C. A forma cristalina e o tamanho das partículas do pó de carbeto de silício após a síntese são difíceis de controlar.
• Em condições de alta temperatura acima de 2300 °C e próximo ao vácuo, o carbeto de silício sofre uma transformação “sólido-gás-sólido” e um processo de recristalização em uma câmara de grafite fechada. Esse processo possui um longo ciclo de crescimento, é difícil de controlar e propenso a defeitos como microtúbulos e inclusões.
• O carbeto de silício apresenta mais de 200 formas cristalinas diferentes, mas a produção geralmente requer apenas uma delas. Durante o processo de crescimento, a transformação da forma cristalina é propensa a ocorrer, resultando em defeitos de inclusão de múltiplos tipos. Durante o processo de preparação, é difícil controlar de forma estável uma única forma cristalina específica, e a barreira de conversão de energia entre diferentes formas cristalinas é extremamente baixa, o que aumenta a dificuldade de controle. O controle de parâmetros e a pesquisa relacionada durante esse período exigem enormes custos de P&D, o que também é um dos motivos para o alto custo do carbeto de silício conforme.