Порошок карбида кремния (SiC) является критическим исходным материалом для выращивания кристаллов полупроводников третьего поколения. Его чистота, морфология частиц и поведение при возгонке напрямую влияют на стабильность скорости сублимации, образование дефектов и общее качество кристаллов для пластин размером 6–12 дюймов. Сегодня в отрасли доминируют два основных способа синтеза: Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и традиционный твердофазная реакция Ачесона Si+C. В этом обзоре представлено техническое сравнение их механизмов, характеристик порошков, совместимости с длинными кристаллами и будущих тенденций развития.

1. Принципы процесса и ключевые механистические различия

Метод CVD

Газофазная реакция с использованием высокочистого силана (SiH₄) и углеводородов (CH₄/C₂H₂) при температуре 1200–1600 °C.
Основные характеристики:
• Полностью газофазный механизм минимизирует источники примесей.
• Частицы SiC образуются непосредственно без механического дробления.
• Узкий контроль размера частиц от 40 нм до нескольких микрометров.
• Стабильная морфология и отличная кристалличность.

Метод Ачесона (твердофазная реакция Si + C)

Твердофазная диффузия между порошком кремния и техническим углеродом при температуре 2000–2500 °C с последующим дроблением и классификацией.
Основные характеристики:
• Зрелый, высокопроизводительный метод.
• Требует последующей обработки, что приводит к более широкому распределению частиц.
• Более высокий износ печи и включение кислорода.
• Размеры частиц от ~10 мкм до нескольких миллиметров.

2. Сравнение качества порошка и влияние на рост кристаллов

Последствия для сублимационного роста кристаллов:
Выращивание кристаллов SiC большого диаметра (8–12 дюймов) требует чрезвычайно низкого уровня примесей и стабильной скорости сублимации. Порошки CVD обеспечивают превосходную однородность и чистоту, в то время как крупные зерна Ачесона обеспечивают лучшую проницаемость слоя. В результате, гибридные смеси (мелкий порошок CVD + крупный порошок Ачесона) обычно используются для балансировки однородности сублимации и термической стабильности.

3. Соответствие процессов и стратегия выбора порошка

Рост кристаллов SiC ≤6 дюймов

Порошки Ачесона высокой чистоты остаются достаточными из-за более широких окон роста и меньшей чувствительности к колебаниям примесей.

8-дюймовые сублимационные печи

Смешанная порошковая система становится выгодной:
• 20–40% мелкого порошка CVD улучшает чистоту и равномерность сублимации.
• Крупные зерна Ачесона поддерживают оптимальную проницаемость и тепловой поток.

12-дюймовые исследовательские линии

Более высокая зависимость от порошка CVD:
• 60–100% мелкого порошка CVD используется для достижения сверхнизкой плотности дефектов.
• Обеспечивает стабильное распределение паровых компонентов и минимизирует включение кислорода.

4. Эволюция технологий и будущие тенденции

Пути снижения затрат CVD

• Локализация высокотемпературных реакторов CVD и коррозионностойких материалов горячей зоны
• Замкнутый цикл рекуперации побочных продуктов H₂ и SiHx
• Плазменно-ассистированное CVD для снижения температуры осаждения на 100–200 °C

Оптимизация процесса Ачесона

• Сопряженная непрерывная вакуумная очистка и усовершенствованное кислотное выщелачивание
• Улучшение целевой чистоты до уровней 7N
• Снижение поглощения кислорода за счет оптимизированной конструкции печи

Интеллектуальное смешивание порошков

• Управление кривыми сублимации на основе машинного обучения
• Регулировка соотношения мелкого порошка в реальном времени
• Прогнозирующее моделирование проницаемости порошкового слоя и морфологии кристаллов

Перспективы отрасли

По мере перехода SiC в эру 8–12 дюймов, ожидается быстрое увеличение доли рынка порошка CVD из-за:
• Более строгих требований к чистоте и однородности
• Улучшенных структур затрат, поскольку CVD падает ниже порога, где он ≤2× стоимости порошка Ачесона
• Лучшей корреляции между высокой долей CVD и выходом кристаллов большого диаметра

Этот сдвиг указывает на то, что будущий высококачественный рост кристаллов SiC будет все больше зависеть от систем на основе CVD или гибридных порошков оптимизированных для стабильности сублимации, подавления дефектов и масштабируемого производства пластин.