Siliziumkarbid (SiC)-Pulver ist ein wichtiges Vormaterial für das Kristallwachstum von Halbleitern der dritten Generation. Seine Reinheit, Partikelmorphologie und sein Verdampfungsverhalten beeinflussen direkt die Stabilität der Sublimationsrate, die Defektbildung und die Gesamtqualität der Kristalle für 6–12-Zoll-Wafer. Heute dominieren zwei gängige Synthesewege die Industrie: Chemical Vapor Deposition (CVD) und die traditionelle Acheson Si+C Festkörperreaktion. Diese Übersicht bietet einen technischen Vergleich ihrer Mechanismen, Pulvereigenschaften, Langkristallkompatibilität und zukünftigen Entwicklungstrends.

1. Prozessprinzipien und wichtige mechanistische Unterschiede

CVD-Route

Gasphasenreaktion unter Verwendung von hochreinem Silan (SiH₄) und Kohlenwasserstoffen (CH₄/C₂H₂) bei 1200–1600 °C.
Wichtige Eigenschaften:
• Der reine Gasphasenmechanismus minimiert Verunreinigungsquellen.
• SiC-Partikel bilden sich direkt ohne mechanisches Zerkleinern.
• Enge Partikelgrößenkontrolle von 40 nm bis zu mehreren Mikrometern.
• Stabile Morphologie und ausgezeichnete Kristallinität.

Acheson-Route (Si + C Festkörperreaktion)

Festkörperdiffusion zwischen Siliziumpulver und Ruß bei 2000–2500 °C, gefolgt von Zerkleinern und Klassifizieren.
Wichtige Eigenschaften:
• Ausgereiftes Verfahren mit hohem Durchsatz.
• Erfordert Nachbearbeitung, was zu einer breiteren Partikelverteilung führt.
• Höherer Ofenverschleiß und Sauerstoffaufnahme.
• Partikelgrößen von ~10 µm bis zu mehreren Millimetern.

2. Vergleich der Pulverqualität und Auswirkungen auf das Kristallwachstum

Auswirkungen auf das Sublimationskristallwachstum:
Das Wachstum von SiC-Kristallen mit großem Durchmesser (8–12 Zoll) erfordert extrem niedrige Verunreinigungsgehalte und stabile Sublimationsraten. CVD-Pulver bieten überlegene Gleichmäßigkeit und Reinheit, während grobe Acheson-Körner eine bessere Bettpermeabilität bieten. Infolgedessen werden Hybridmischungen (CVD-Feinpulver + Acheson-Grobpulver) üblicherweise verwendet, um die Sublimationsgleichmäßigkeit und die thermische Stabilität auszugleichen.

3. Prozessanpassung und Pulverauswahlstrategie

≤6-Zoll-SiC-Kristallwachstum

Acheson-Hochreinheitspulver reichen aufgrund größerer Wachstumsfenster und geringerer Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungsschwankungen weiterhin aus.

8-Zoll-Sublimationsöfen

Ein Mischpulversystem wird vorteilhaft:
• 20–40 % CVD-Feinpulver verbessern die Reinheit und gleichmäßige Sublimation.
• Grobe Acheson-Körner erhalten die optimale Permeabilität und den Wärmefluss.

12-Zoll-F&E-Linien

Höhere Abhängigkeit von CVD-Pulver:
• 60–100 % CVD-Feinpulver werden verwendet, um extrem niedrige Defektdichten zu erreichen.
• Gewährleistet eine stabile Verteilung der Dampfarten und minimiert die Sauerstoffaufnahme.

4. Technologieentwicklung und zukünftige Trends

CVD-Kostensenkungspfade

• Lokalisierung von Hochtemperatur-CVD-Reaktoren und korrosionsbeständigen Heizzonenmaterialien
• Kreislaufwirtschaft von H₂- und SiHx-Nebenprodukten
• Plasmaunterstützte CVD zur Reduzierung der Abscheidungstemperatur um 100–200 °C

Acheson-Prozessoptimierung

• Gekoppelte kontinuierliche Vakuumbereinigung und fortschrittliches Säureauslaugen
• Zielverbesserung der Reinheit auf 7N-Niveau
• Reduzierte Sauerstoffaufnahme durch optimiertes Ofendesign

Intelligentes Pulvermischen

• Machine-Learning-basierte Steuerung von Sublimationskurven
• Echtzeitanpassung der Feinpulververhältnisse
• Vorhersagemodellierung der Pulverbettpermeabilität und Kristallmorphologie

Branchenausblick

Da SiC in die 8–12-Zoll-Ära eintritt, wird erwartet, dass der Marktanteil von CVD-Pulver aufgrund folgender Faktoren schnell zunehmen wird:
• Strengere Anforderungen an Reinheit und Gleichmäßigkeit
• Verbesserte Kostenstrukturen, da CVD unter den Schwellenwert fällt, bei dem es ≤2× die Kosten von Acheson-Pulver beträgt
• Bessere Korrelation zwischen hohem CVD-Anteil und dem Ertrag von Kristallen mit großem Durchmesser

Diese Verschiebung deutet darauf hin, dass das zukünftige High-End-SiC-Kristallwachstum zunehmend auf CVD-basierte oder hybridtechnisch entwickelte Pulversysteme angewiesen sein wird, die für Sublimationsstabilität, Defektabbau und skalierbare Waferproduktion optimiert sind.