Polvere di carburo di silicio (SiC) è un materiale critico a monte per la crescita di cristalli di semiconduttori di terza generazione. La sua purezza, la morfologia delle particelle e il comportamento di volatilizzazione influenzano direttamente la stabilità del tasso di sublimazione, la formazione di difetti e la qualità complessiva dei cristalli per wafer da 6–12 pollici. Oggi, due principali percorsi di sintesi dominano l'industria: Deposizione chimica da vapore (CVD) e il tradizionale reazione allo stato solido Acheson Si+C. Questa recensione fornisce un confronto tecnico dei loro meccanismi, delle caratteristiche delle polveri, della compatibilità con i cristalli lunghi e delle future tendenze evolutive.

1. Principi di processo e principali differenze meccanistiche

Percorso CVD

Reazione in fase gassosa utilizzando silano ad alta purezza (SiH₄) e idrocarburi (CH₄/C₂H₂) a 1200–1600 °C.
Caratteristiche chiave:
• Il meccanismo interamente in fase gassosa riduce al minimo le fonti di impurità.
• Le particelle di SiC si formano direttamente senza frantumazione meccanica.
• Controllo della dimensione delle particelle ristretto da 40 nm a diversi micrometri.
• Morfologia stabile ed eccellente cristallinità.

Percorso Acheson (reazione allo stato solido Si + C)

Diffusione allo stato solido tra polvere di silicio e nerofumo a 2000–2500 °C, seguita da frantumazione e classificazione.
Caratteristiche chiave:
• Metodo maturo e ad alta produttività.
• Richiede post-elaborazione, con conseguente distribuzione delle particelle più ampia.
• Maggiore usura del forno e incorporazione di ossigeno.
• Dimensioni delle particelle da ~10 µm a diversi millimetri.

2. Confronto della qualità della polvere e impatto sulla crescita dei cristalli

Implicazioni per la crescita di cristalli per sublimazione:
La crescita di cristalli di SiC di grande diametro (8–12 pollici) richiede livelli di impurità estremamente bassi e tassi di sublimazione stabili. Le polveri CVD offrono uniformità e purezza superiori, mentre i grani Acheson grossolani forniscono una migliore permeabilità del letto. Di conseguenza, miscele ibride (polvere fine CVD + polvere grossolana Acheson) sono comunemente utilizzate per bilanciare l'uniformità della sublimazione e la stabilità termica.

3. Corrispondenza del processo e strategia di selezione della polvere

Crescita di cristalli di SiC ≤6 pollici

Le polveri Acheson ad alta purezza rimangono sufficienti grazie a finestre di crescita più ampie e minore sensibilità alle fluttuazioni delle impurità.

Forni a sublimazione da 8 pollici

Un sistema a polvere mista diventa vantaggioso:
• Il 20–40% di polvere fine CVD migliora la purezza e la sublimazione uniforme.
• I grani Acheson grossolani mantengono una permeabilità e un flusso termico ottimali.

Linee di ricerca e sviluppo da 12 pollici

Maggiore affidamento sulla polvere CVD:
• Il 60–100% di polvere fine CVD viene utilizzato per ottenere densità di difetti ultra-basse.
• Assicura una distribuzione stabile delle specie di vapore e riduce al minimo l'incorporazione di ossigeno.

4. Evoluzione tecnologica e tendenze future

Percorsi di riduzione dei costi CVD

• Localizzazione di reattori CVD ad alta temperatura e materiali per zone calde resistenti alla corrosione
• Recupero a ciclo chiuso di sottoprodotti H₂ e SiHx
• CVD assistita da plasma per ridurre la temperatura di deposizione di 100–200 °C

Ottimizzazione del processo Acheson

• Purificazione continua sottovuoto accoppiata e lisciviazione acida avanzata
• Miglioramento della purezza target verso livelli 7N
• Riduzione dell'assorbimento di ossigeno attraverso un design del forno ottimizzato

Miscelazione intelligente delle polveri

• Controllo basato sull'apprendimento automatico delle curve di sublimazione
• Regolazione in tempo reale dei rapporti di polvere fine
• Modellazione predittiva della permeabilità del letto di polvere e della morfologia dei cristalli

Prospettive del settore

Poiché il SiC entra nell'era degli 8–12 pollici, si prevede che la quota di mercato della polvere CVD aumenterà rapidamente a causa di:
• Requisiti di purezza e uniformità più rigorosi
• Strutture dei costi migliorate poiché la CVD scende al di sotto della soglia in cui è ≤2× il costo della polvere Acheson
• Migliore correlazione tra l'elevata frazione CVD e la resa di cristalli di grande diametro

Questo cambiamento indica che la futura crescita di cristalli di SiC di fascia alta si baserà sempre più su sistemi di polveri basati su CVD o ingegnerizzati ibridi ottimizzati per la stabilità della sublimazione, la soppressione dei difetti e la produzione di wafer scalabile.