Епитаксиалният слой е специфичен тънък монокристален филм, отгледан върху подложка чрез епитаксиален процес; подложката и епитаксиалният филм се наричат общо епитаксиална подложка. Сред тях, отглеждането на епитаксиален слой от силициев карбид върху проводима силициево-карбидна подложка води до хомогенна силициево-карбидна епитаксиална подложка, която може да бъде допълнително преработена в силови устройства като Шотки диоди, MOSFET и IGBT. Най-широко използваният тип подложка е 4H-SiC подложката.
Тъй като почти всички устройства са изработени върху епитаксиални слоеве, качеството на епитаксиалния слой има значително влияние върху производителността на устройството. Качеството на епитаксиалния слой обаче се влияе от обработката на кристала и субстрата, което го поставя в критичен момент в индустрията и играе ключова роля в нейното развитие.
Основните методи за получаване на епитаксиални слоеве от силициев карбид включват: отлагане от газова фаза; течнофазна епитаксия (LPE); молекулярно-лъчева епитаксия (MBE); и химическо отлагане от газова фаза (CVD). Сред тях химическото отлагане от газова фаза (CVD) е най-широко използваният метод за хомогенна епитаксия на 4H-SiC. 4H-SiC CVD епитаксията обикновено използва CVD оборудване, което осигурява непрекъснатостта на кристалната структура на 4H-SiC при високи температури на растеж.
В CVD оборудването, подложката не може да бъде поставена директно върху метална повърхност или просто върху основа за епитаксиално отлагане, тъй като това включва различни влияещи фактори, като посока на газовия поток (хоризонтален, вертикален), температура, налягане, фиксиране и замърсяване от отделящи се частици. Следователно е необходима опорна основа; подложката се поставя върху тава и след това върху нея се извършва епитаксиално отлагане, използвайки CVD технология. Тази опорна основа е графитна основа, покрита със SiC.
Като основен компонент, графитният субстрат се отличава с висока специфична якост и специфичен модул, както и с добра устойчивост на термичен удар и корозия. По време на производството обаче графитът е подложен на корозия и отделяне на прах поради корозивни газове и остатъчни органометални съединения, което значително намалява експлоатационния живот на субстрата. В същото време, отделеният графитен прах може да замърси стружките. При производството на епитаксиални пластини от силициев карбид става все по-трудно да се отговорят на все по-строгите изисквания за графитни материали, което силно ограничава тяхното разработване и практическо приложение. Следователно,технология за покритиесе е появило като решение.
Предимства на SiC покритията в полупроводниковата индустрия
Физическите и химичните свойства на покритията трябва да отговарят на строги изисквания за устойчивост на високи температури и корозия, тъй като те пряко влияят върху добива и живота на продукта. SiC материалът притежава висока якост, висока твърдост, нисък коефициент на термично разширение и отлична топлопроводимост, което го прави критичен високотемпературен структурен и полупроводников материал. Когато се прилага върху графитни основи, неговите предимства включват:
1) SiC е устойчив на корозия и може напълно да капсулира графитната основа. Високата му плътност предотвратява повреди от корозивни газове.
2) SiC има висока топлопроводимост и силна якост на свързване с графитната основа, което гарантира, че покритието остава непокътнато дори след многократни цикли на висока и ниска температура.
3) SiC притежава отлична химическа стабилност, предотвратявайки повреда на покритието във високотемпературни, корозивни среди.
Освен това, епитаксиалните пещи, изработени от различни материали, изискват графитни тарелки със специфични спецификации за производителност. Коефициентът на термично разширение на графитния материал трябва да е съвместим с температурата на растеж на епитаксиалната пещ. Например, тъй като температурата на растеж за епитаксия от силициев карбид е висока, са необходими тарелки с висока степен на съответствие на коефициента на термично разширение. Коефициентът на термично разширение на SiC се различава много малко от този на графита, което го прави предпочитан материал за покриване на повърхността на графитни субстрати.
SiC съществува в множество кристални форми, като най-разпространените в момента са 3C, 4H и 6H видове, всяка от които служи за различни приложения. Например, 4H-SiC се използва за производство на устройства с висока мощност; 6H-SiC е най-стабилният и се използва за производство на оптоелектронни устройства; а 3C-SiC, поради структурното си сходство с GaN, се използва за производство на GaN епитаксиални слоеве за производството на SiC-GaN RF устройства. 3C-SiC е известен още като β-SiC. Ключово приложение на β-SiC е като тънкослоен и покривен материал; следователно, β-SiC в момента е основният материал, използван за покрития.
Като често срещан консуматив в производството на полупроводници, SiC покритията се използват предимно в процеси като подготовка на субстрати, епитаксия, окисление и дифузия, ецване и йонна имплантация. Физическите и химичните свойства на покритието трябва да отговарят на строги изисквания за устойчивост на високи температури и корозионна устойчивост, тъй като те пряко влияят върху добива и живота на продукта. Следователно, подготовката на SiC покритията е от решаващо значение.
Процес за приготвяне на силициево-карбидни покрития
В момента основните методи за получаване на SiC покрития включват зол-гел метод, метод на вграждане, нанасяне с четка, плазмено пръскане, химическа реакция от пари (CVR) и химическо отлагане от пари (CVD).
Метод на вграждане
Този метод е вид високотемпературно твърдофазно синтероване. При него се използва предимно смес от силициев (Si) прах и въглероден (C) прах като вграждащ прах. Графитна подложка се поставя във вграждащия прах и се синтерова при високи температури в атмосфера на инертен газ, като в крайна сметка се образува SiC покритие върху повърхността на графитната подложка. Този метод се характеризира с прост процес и добра адхезия между покритието и подложката; покритието обаче показва лоша равномерност по посока на дебелината и е склонно към образуване на множество пори, което води до лоша устойчивост на окисляване.
Метод за нанасяне на четка
Методът на нанасяне с четка включва предимно нанасяне на течен суровинен материал върху повърхността на графитния субстрат, последвано от втвърдяване на материала при определена температура за образуване на покритието. Този метод е прост и рентабилен; полученото покритие обаче показва слаба адхезия към субстрата, лоша еднородност и е сравнително тънко с ниска устойчивост на окисляване, което налага допълнителни методи.
Метод на плазмено пръскане
Методът на плазмено пръскане включва използването на плазмен пистолет за пръскане на разтопен или полуразтопен суров материал върху повърхността на графитния субстрат, който след това се втвърдява и се свързва, за да образува покритие. Този метод е лесен за работа и може да произведе относително плътни силициево-карбидни покрития; получените покрития обаче често са твърде тънки, което води до лоша устойчивост на окисляване. Поради това той обикновено се използва при приготвянето на SiC композитни покрития за подобряване на качеството на покритието.
Гел-сол метод
Методът гел-зол включва основно приготвяне на равномерен, прозрачен зол разтвор за покриване на повърхността на субстрата. След изсъхване до гел, материалът се синтерова, за да се образува покритието. Този метод е лесен за работа и сравнително евтин; получените покрития обаче страдат от недостатъци като ниска устойчивост на термичен удар и склонност към напукване, което ограничава широкото им приложение.
Метод на химическа реакция с пари (CVR)
CVR използва предимно Si и SiO₂ прахове за генериране на SiO₂ пари при високи температури, задействайки серия от химични реакции на повърхността на Si субстрата, за да се образува SiC покритие. SiC покритието, получено по този метод, се свързва здраво със субстрата; температурата на реакцията обаче е висока, а цената също е сравнително висока.
Химично отлагане от пари (CVD)
CVD (химично осаждане на силициев диоксид) в момента е основната технология за получаване на SiC покрития върху повърхности на субстрати. Основният процес включва серия от физикохимични реакции между газообразни реагенти и повърхността на субстрата, което в крайна сметка води до отлагане на SiC покритие. SiC покритията, получени чрез CVD технология, се свързват плътно с повърхността на субстрата и могат ефективно да подобрят устойчивостта на окисление и устойчивостта на аблация на материала на субстрата; този метод обаче изисква относително дълго време за отлагане, а реакционните газове съдържат определени токсични компоненти.
Тенденции в SiC покритията
SiC покритията се използват предимно като консумативи в производството на полупроводници, като ключови показатели за ефективност включват еднородност на покритието, коефициент на термично разширение и топлопроводимост. Въпреки че в Китай има значително вътрешно търсене на SiC покрития, технологията остава незряла. В чужбина само една американска компания работи в тази област и нейните продукти са сравнително скъпи.
Кристални лодкиса консумативи, използвани в епитаксиалното производство, които могат да заменят графита със SiC покритие, въпреки че обемът на пазара е малък. Следващият е графитът с TaC покритие, който предлага по-добра химическа устойчивост на корозия от голия графит или графита със SiC покритие, но е непосилно скъп и все още е в ранен етап на развитие. В момента местни компании катоПолупроводник Liufang, СемицераиVetek Semiconductorсе занимават с научноизследователска и развойна дейност в тази област.
Време на публикуване: 20 май 2026 г.