Pó de carboneto de silício (SiC) é um material crítico a montante para o crescimento de cristais semicondutores de terceira geração. Sua pureza, morfologia das partículas e comportamento de volatilização influenciam diretamente a estabilidade da taxa de sublimação, a formação de defeitos e a qualidade geral dos cristais para wafers de 6 a 12 polegadas. Hoje, duas rotas de síntese principais dominam a indústria: Deposição Química de Vapor (CVD) e a tradicional reação de estado sólido Acheson Si+C. Esta revisão fornece uma comparação técnica de seus mecanismos, características do pó, compatibilidade com cristais longos e tendências de evolução futura.

1. Princípios do processo e principais diferenças mecanísticas

Rota CVD

Reação em fase gasosa usando silano de alta pureza (SiH₄) e hidrocarbonetos (CH₄/C₂H₂) a 1200–1600 °C.
Principais características:
• Mecanismo totalmente em fase gasosa minimiza as fontes de impurezas.
• As partículas de SiC se formam diretamente sem esmagamento mecânico.
• Controle de tamanho de partícula estreito de 40 nm a vários micrômetros.
• Morfologia estável e excelente cristalinidade.

Rota Acheson (Reação de Estado Sólido Si + C)

Difusão em estado sólido entre pó de silício e negro de carbono a 2000–2500 °C, seguida de esmagamento e classificação.
Principais características:
• Método maduro e de alta produtividade.
• Requer pós-processamento, levando a uma distribuição de partículas mais ampla.
• Maior desgaste da fornalha e incorporação de oxigênio.
• Tamanhos de partículas de ~10 µm a vários milímetros.

2. Comparação da qualidade do pó e impacto no crescimento do cristal

Implicações para o crescimento de cristais por sublimação:
O crescimento de cristais de SiC de grande diâmetro (8–12 pol.) requer níveis extremamente baixos de impurezas e taxas de sublimação estáveis. Os pós CVD oferecem uniformidade e pureza superiores, enquanto os grãos Acheson grosseiros proporcionam melhor permeabilidade do leito. Como resultado, misturas híbridas (pó fino CVD + pó grosseiro Acheson) são comumente usadas para equilibrar a uniformidade da sublimação e a estabilidade térmica.

3. Correspondência do processo e estratégia de seleção de pó

≤Crescimento de cristal de SiC de 6 polegadas

Os pós Acheson de alta pureza permanecem suficientes devido a janelas de crescimento mais amplas e menor sensibilidade às flutuações de impurezas.

Fornos de sublimação de 8 polegadas

Um sistema de pó misto torna-se vantajoso:
• 20–40% de pó fino CVD melhora a pureza e a sublimação uniforme.
• Grãos Acheson grosseiros mantêm a permeabilidade e o fluxo térmico ideais.

Linhas de P&D de 12 polegadas

Maior dependência de pó CVD:
• 60–100% de pó fino CVD usado para obter densidades de defeito ultrabaixas.
• Garante uma distribuição estável de espécies de vapor e minimiza a incorporação de oxigênio.

4. Evolução da tecnologia e tendências futuras

Caminhos de redução de custos de CVD

• Localização de reatores CVD de alta temperatura e materiais de zona quente resistentes à corrosão
• Recuperação em circuito fechado de subprodutos H₂ e SiHx
• CVD assistida por plasma para reduzir a temperatura de deposição em 100–200 °C

Otimização do processo Acheson

• Purificação a vácuo contínua acoplada e lixiviação ácida avançada
• Melhoria da pureza alvo para níveis de 7N
• Redução da captação de oxigênio por meio de design otimizado da fornalha

Mistura inteligente de pó

• Controle baseado em aprendizado de máquina de curvas de sublimação
• Ajuste em tempo real das proporções de pó fino
• Modelagem preditiva da permeabilidade do leito de pó e da morfologia do cristal

Perspectiva da indústria

À medida que o SiC entra na era de 8 a 12 polegadas, espera-se que a participação de mercado do pó CVD aumente rapidamente devido a:
• Requisitos mais rigorosos de pureza e uniformidade
• Estruturas de custos aprimoradas, pois o CVD cai abaixo do limite em que é ≤2× o custo do pó Acheson
• Melhor correlação entre alta fração de CVD e rendimento de cristal de grande diâmetro

Essa mudança indica que o futuro crescimento de cristais de SiC de ponta dependerá cada vez mais de sistemas de pó baseados em CVD ou projetados de forma híbrida otimizados para estabilidade de sublimação, supressão de defeitos e produção de wafers escalonável.