Καρβίδιο του πυριτίου (SiC) σε σκόνη είναι ένα κρίσιμο υλικό ανάντη για την ανάπτυξη κρυστάλλων ημιαγωγών τρίτης γενιάς. Η καθαρότητά του, η μορφολογία των σωματιδίων και η συμπεριφορά εξάτμισης επηρεάζουν άμεσα τη σταθερότητα του ρυθμού εξάχνωσης, τον σχηματισμό ελαττωμάτων και τη συνολική ποιότητα των κρυστάλλων για δίσκους 6–12 ιντσών. Σήμερα, δύο κύριες μέθοδοι σύνθεσης κυριαρχούν στη βιομηχανία: Χημική Εναπόθεση Ατμών (CVD) και η παραδοσιακή Αντίδραση στερεάς κατάστασης Acheson Si+C. Αυτή η ανασκόπηση παρέχει μια τεχνική σύγκριση των μηχανισμών τους, των χαρακτηριστικών της σκόνης, της συμβατότητας με μακρούς κρυστάλλους και των μελλοντικών τάσεων εξέλιξης.

1. Αρχές διεργασίας και βασικές μηχανιστικές διαφορές

Μέθοδος CVD

Αντίδραση αέριας φάσης με τη χρήση σιλανίου υψηλής καθαρότητας (SiH₄) και υδρογονανθράκων (CH₄/C₂H₂) στους 1200–1600 °C.
Βασικά χαρακτηριστικά:
• Ο μηχανισμός πλήρους αέριας φάσης ελαχιστοποιεί τις πηγές ακαθαρσιών.
• Τα σωματίδια SiC σχηματίζονται απευθείας χωρίς μηχανική σύνθλιψη.
• Έλεγχος στενού μεγέθους σωματιδίων από 40 nm έως αρκετά μικρόμετρα.
• Σταθερή μορφολογία και εξαιρετική κρυσταλλικότητα.

Μέθοδος Acheson (Αντίδραση στερεάς κατάστασης Si + C)

Διάχυση στερεάς κατάστασης μεταξύ σκόνης πυριτίου και μαύρου άνθρακα στους 2000–2500 °C, ακολουθούμενη από σύνθλιψη και ταξινόμηση.
Βασικά χαρακτηριστικά:
• Ώριμη μέθοδος υψηλής απόδοσης.
• Απαιτεί μετα-επεξεργασία, οδηγώντας σε ευρύτερη κατανομή σωματιδίων.
• Υψηλότερη φθορά κλιβάνου και ενσωμάτωση οξυγόνου.
• Μεγέθη σωματιδίων από ~10 µm έως αρκετά χιλιοστά.

2. Σύγκριση ποιότητας σκόνης και επίδραση στην ανάπτυξη κρυστάλλων

Επιπτώσεις για την ανάπτυξη κρυστάλλων με εξάχνωση:
Η ανάπτυξη κρυστάλλων SiC μεγάλης διαμέτρου (8–12 ίντσες) απαιτεί εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα ακαθαρσιών και σταθερούς ρυθμούς εξάχνωσης. Οι σκόνες CVD προσφέρουν ανώτερη ομοιομορφία και καθαρότητα, ενώ οι χονδροί κόκκοι Acheson παρέχουν καλύτερη διαπερατότητα κλίνης. Ως αποτέλεσμα, υβριδικά μείγματα (λεπτή σκόνη CVD + χοντρή σκόνη Acheson) χρησιμοποιούνται συνήθως για την εξισορρόπηση της ομοιομορφίας εξάχνωσης και της θερμικής σταθερότητας.

3. Αντιστοίχιση διεργασίας και στρατηγική επιλογής σκόνης

≤6 ιντσών ανάπτυξη κρυστάλλων SiC

Οι σκόνες Acheson υψηλής καθαρότητας παραμένουν επαρκείς λόγω των ευρύτερων παραθύρων ανάπτυξης και της χαμηλότερης ευαισθησίας στις διακυμάνσεις των ακαθαρσιών.

Φούρνοι εξάχνωσης 8 ιντσών

Ένα σύστημα μικτής σκόνης γίνεται πλεονεκτικό:
• 20–40% λεπτή σκόνη CVD βελτιώνει την καθαρότητα και την ομοιόμορφη εξάχνωση.
• Οι χονδροί κόκκοι Acheson διατηρούν τη βέλτιστη διαπερατότητα και τη θερμική ροή.

Γραμμές Ε&Α 12 ιντσών

Μεγαλύτερη εξάρτηση από τη σκόνη CVD:
• 60–100% λεπτή σκόνη CVD που χρησιμοποιείται για την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών πυκνοτήτων ελαττωμάτων.
• Εξασφαλίζει σταθερή κατανομή ειδών ατμών και ελαχιστοποιεί την ενσωμάτωση οξυγόνου.

4. Εξέλιξη τεχνολογίας και μελλοντικές τάσεις

Δρόμοι μείωσης κόστους CVD

• Εντοπισμός αντιδραστήρων CVD υψηλής θερμοκρασίας και υλικών θερμής ζώνης ανθεκτικών στη διάβρωση
• Ανάκτηση κλειστού βρόχου H₂ και υποπροϊόντων SiHx
• CVD με υποβοήθηση πλάσματος για μείωση της θερμοκρασίας εναπόθεσης κατά 100–200 °C

Βελτιστοποίηση διεργασίας Acheson

• Συνδυασμένη συνεχής καθαρισμός κενού και προηγμένη έκπλυση με οξύ
• Βελτίωση της καθαρότητας-στόχου προς τα επίπεδα 7N
• Μειωμένη πρόσληψη οξυγόνου μέσω βελτιστοποιημένου σχεδιασμού κλιβάνου

Έξυπνη ανάμειξη σκόνης

• Έλεγχος καμπυλών εξάχνωσης με βάση τη μηχανική μάθηση
• Ρύθμιση σε πραγματικό χρόνο των αναλογιών λεπτής σκόνης
• Προγνωστική μοντελοποίηση της διαπερατότητας κλίνης σκόνης και της μορφολογίας κρυστάλλων

Προοπτικές βιομηχανίας

Καθώς το SiC μεταβαίνει στην εποχή των 8–12 ιντσών, το μερίδιο αγοράς της σκόνης CVD αναμένεται να αυξηθεί ραγδαία λόγω:
• Αυστηρότερων απαιτήσεων καθαρότητας και ομοιομορφίας
• Βελτιωμένων δομών κόστους καθώς το CVD πέφτει κάτω από το όριο όπου είναι ≤2× το κόστος της σκόνης Acheson
• Καλύτερης συσχέτισης μεταξύ υψηλού κλάσματος CVD και απόδοσης κρυστάλλων μεγάλης διαμέτρου

Αυτή η αλλαγή υποδεικνύει ότι η μελλοντική ανάπτυξη κρυστάλλων SiC υψηλής ποιότητας θα βασίζεται όλο και περισσότερο σε συστήματα σκόνης με βάση το CVD ή υβριδικά σχεδιασμένα βελτιστοποιημένα για σταθερότητα εξάχνωσης, καταστολή ελαττωμάτων και παραγωγή δίσκων κλιμακωτής κλίμακας.