Quais são os desafios na fabricação de substratos de SiC?

À medida que a tecnologia de semicondutores itera e se atualiza para frequências mais altas, temperaturas mais altas, maior potência e menores perdas, o carboneto de silício se destaca como o principal material semicondutor de terceira geração, substituindo gradualmente os substratos de silício convencionais. Os substratos de carboneto de silício oferecem vantagens distintas, como um bandgap mais amplo, maior condutividade térmica, intensidade de campo elétrico crítico superior e maior mobilidade de elétrons, tornando-se a opção ideal para dispositivos de alto desempenho, alta potência e alta frequência em campos de ponta, como NEVs, comunicações 5G, inversores fotovoltaicos e aeroespacial.

Desafios na fabricação de substratos de carboneto de silício de alta qualidade

A fabricação e o processamento de substratos de carboneto de silício de alta qualidade envolvem barreiras técnicas extremamente elevadas. Inúmeros desafios persistem em todo o processo, desde a preparação da matéria-prima até a fabricação do produto acabado, o que se tornou um fator crucial que restringe sua aplicação em larga escala e atualização industrial.

1. Desafios de síntese de matérias-primas

As matérias-primas básicas para o crescimento de cristal único de carboneto de silício são pó de carbono e pó de silício. Eles são suscetíveis à contaminação por impurezas ambientais durante sua síntese, e a remoção dessas impurezas é difícil. Estas impurezas impactam negativamente a qualidade do cristal de SiC a jusante. Além disso, a reação incompleta entre o pó de silício e o pó de carbono pode facilmente causar um desequilíbrio na relação Si/C, comprometendo a estabilidade da estrutura cristalina. A regulação precisa da forma do cristal e do tamanho das partículas no pó de SiC sintetizado exige um processamento pós-síntese rigoroso, elevando assim a barreira técnica da preparação da matéria-prima.

2. Desafios do Crescimento do Cristal

O crescimento do cristal de carboneto de silício requer temperaturas superiores a 2.300 ℃, o que impõe exigências rigorosas à resistência a altas temperaturas e à precisão do controle térmico dos equipamentos semicondutores. Diferente do silício monocristalino, o carboneto de silício apresenta taxas de crescimento extremamente lentas. Por exemplo, usando o método PVT, apenas 2 a 6 centímetros de cristal de carboneto de silício podem ser cultivados em sete dias. Isto resulta em baixa eficiência de produção de substratos de carboneto de silício, limitando severamente a capacidade geral de fabricação.  Além disso, o carboneto de silício tem mais de 200 tipos de estruturas cristalinas, nas quais apenas alguns tipos de estruturas como 4H-SiC são utilizáveis. Portanto, o controle rigoroso dos parâmetros é essencial para evitar inclusões polimórficas e garantir a qualidade do produto.

3. Desafios de processamento de cristais

Já a dureza do carboneto de silício perde apenas para o diamante, o que aumenta muito a dificuldade de corte. Durante o processo de fatiamento ocorre perda significativa de corte, com taxa de perda chegando em torno de 40%, resultando em baixíssima eficiência de utilização do material. Devido à sua baixa tenacidade à fratura, o carboneto de silício é propenso a rachaduras e lascas nas bordas durante o processamento de desbaste. Além disso, os processos subsequentes de fabricação de semicondutores impõem requisitos extremamente rigorosos à precisão da usinagem e à qualidade da superfície dos substratos de carboneto de silício, especialmente em relação à rugosidade, planicidade e empenamento da superfície. Isso apresenta desafios consideráveis ​​de processamento para desbaste, retificação e polimento de substratos de carboneto de silício.

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