Polvo de carburo de silicio (SiC) es un material crítico de suministro para el crecimiento de cristales semiconductores de tercera generación. Su pureza, morfología de partículas y comportamiento de volatilización influyen directamente en la estabilidad de la tasa de sublimación, la formación de defectos y la calidad general del cristal para obleas de 6 a 12 pulgadas. Hoy en día, dos rutas de síntesis principales dominan la industria: Deposición Química en Fase Vapor (CVD) y la tradicional Reacción en estado sólido de Acheson Si+C. Esta revisión proporciona una comparación técnica de sus mecanismos, características del polvo, compatibilidad con cristales largos y tendencias de evolución futuras.

1. Principios del proceso y diferencias mecanísticas clave

Ruta CVD

Reacción en fase gaseosa utilizando silano de alta pureza (SiH₄) e hidrocarburos (CH₄/C₂H₂) a 1200–1600 °C.
Características clave:
• El mecanismo totalmente en fase gaseosa minimiza las fuentes de impurezas.
• Las partículas de SiC se forman directamente sin trituración mecánica.
• Control de tamaño de partícula estrecho de 40 nm a varios micrómetros.
• Morfología estable y excelente cristalinidad.

Ruta Acheson (Reacción en estado sólido Si + C)

Difusión en estado sólido entre polvo de silicio y negro de carbón a 2000–2500 °C, seguida de trituración y clasificación.
Características clave:
• Método maduro y de alto rendimiento.
• Requiere post-procesamiento, lo que lleva a una distribución de partículas más amplia.
• Mayor desgaste del horno e incorporación de oxígeno.
• Tamaños de partículas de ~10 µm a varios milímetros.

2. Comparación de la calidad del polvo e impacto en el crecimiento de cristales

Implicaciones para el crecimiento de cristales por sublimación:
El crecimiento de cristales de SiC de gran diámetro (8–12 pulgadas) requiere niveles de impurezas extremadamente bajos y tasas de sublimación estables. Los polvos CVD ofrecen una uniformidad y pureza superiores, mientras que los granos gruesos de Acheson proporcionan una mejor permeabilidad del lecho. Como resultado, mezclas híbridas (polvo fino CVD + polvo grueso Acheson) se utilizan comúnmente para equilibrar la uniformidad de la sublimación y la estabilidad térmica.

3. Coincidencia de procesos y estrategia de selección de polvo

≤Crecimiento de cristales de SiC de 6 pulgadas

Los polvos de alta pureza de Acheson siguen siendo suficientes debido a ventanas de crecimiento más amplias y menor sensibilidad a las fluctuaciones de impurezas.

Hornos de sublimación de 8 pulgadas

Un sistema de polvo mixto se vuelve ventajoso:
• El 20–40% de polvo fino CVD mejora la pureza y la sublimación uniforme.
• Los granos gruesos de Acheson mantienen una permeabilidad y un flujo térmico óptimos.

Líneas de I+D de 12 pulgadas

Mayor dependencia del polvo CVD:
• Se utiliza un 60–100% de polvo fino CVD para lograr densidades de defectos ultrabajas.
• Asegura una distribución estable de las especies de vapor y minimiza la incorporación de oxígeno.

4. Evolución tecnológica y tendencias futuras

Vías de reducción de costos de CVD

• Localización de reactores CVD de alta temperatura y materiales de zona caliente resistentes a la corrosión
• Recuperación de circuito cerrado de subproductos H₂ y SiHx
• CVD asistida por plasma para reducir la temperatura de deposición en 100–200 °C

Optimización del proceso Acheson

• Purificación continua al vacío acoplada y lixiviación ácida avanzada
• Mejora de la pureza objetivo hacia niveles 7N
• Reducción de la captación de oxígeno a través de un diseño de horno optimizado

Mezcla inteligente de polvo

• Control basado en aprendizaje automático de curvas de sublimación
• Ajuste en tiempo real de las proporciones de polvo fino
• Modelado predictivo de la permeabilidad del lecho de polvo y la morfología del cristal

Perspectiva de la industria

A medida que SiC avanza hacia la era de 8–12 pulgadas, se espera que la cuota de mercado del polvo CVD aumente rápidamente debido a:
• Requisitos de pureza y uniformidad más estrictos
• Estructuras de costos mejoradas a medida que CVD cae por debajo del umbral donde es ≤2× el costo del polvo Acheson
• Mejor correlación entre la alta fracción de CVD y el rendimiento de cristales de gran diámetro

Este cambio indica que el futuro crecimiento de cristales de SiC de alta gama dependerá cada vez más de sistemas de polvo basados en CVD o de ingeniería híbrida optimizados para la estabilidad de la sublimación, la supresión de defectos y la producción escalable de obleas.