Epitaksijalni sloj je specifičan tanki film monokristala uzgojen na podlozi od pločice epitaksijalnim postupkom; podloga i epitaksijalni film se zajednički nazivaju epitaksijalna pločica. Među njima, uzgoj epitaksijalnog sloja silicijum karbida na provodljivoj podlozi od silicijum karbida proizvodi homogenu epitaksijalnu pločicu od silicijum karbida, koja se dalje može pretvoriti u energetske uređaje kao što su Schottky diode, MOSFET-ovi i IGBT-ovi. Najčešće korištena vrsta podloge je 4H-SiC podloga.
Budući da se gotovo svi uređaji izrađuju na epitaksijalnim slojevima, kvalitet epitaksijalnog sloja ima značajan utjecaj na performanse uređaja. Međutim, na kvalitet epitaksijalnog sloja utječu kristali i obrada supstrata, što ga stavlja na kritičnu prekretnicu u industriji i igra ključnu ulogu u njenom razvoju.
Primarne metode za pripremu epitaksijalnih slojeva silicijum karbida uključuju: taloženje iz pare; epitaksiju tečne faze (LPE); epitaksiju molekularnog snopa (MBE); i hemijsko taloženje iz pare (CVD). Među njima, hemijsko taloženje iz pare (CVD) je najčešće korištena metoda za homogenu epitaksiju 4H-SiC. CVD epitaksija 4H-SiC obično koristi CVD opremu, koja osigurava kontinuitet kristalne strukture 4H-SiC pod visokim temperaturama rasta.
U CVD opremi, podloga se ne može postaviti direktno na metalnu površinu ili jednostavno postaviti na podlogu za epitaksijalno nanošenje, jer to uključuje različite faktore utjecaja kao što su smjer protoka plina (horizontalni, vertikalni), temperatura, pritisak, fiksacija i kontaminacija od čestica koje se rasipaju. Stoga je potrebna noseća podloga; podloga se postavlja na pladanj, a zatim se na podlozi vrši epitaksijalno nanošenje pomoću CVD tehnologije. Ova noseća podloga je grafitna podloga obložena SiC-om.
Kao osnovna komponenta, grafitna podloga ima visoku specifičnu čvrstoću i specifični modul, kao i dobru otpornost na termalne udare i koroziju. Međutim, tokom proizvodnje, grafit je podložan koroziji i odvajanju praha zbog korozivnih gasova i zaostalih organometalnih jedinjenja, što značajno smanjuje vijek trajanja podloge. Istovremeno, odbačeni grafitni prah može kontaminirati čipove. U proizvodnji epitaksijalnih pločica od silicijum karbida, sve je teže ispuniti sve strože zahtjeve za grafitne materijale, što ozbiljno ograničava njihov razvoj i praktičnu primjenu. Posljedično,tehnologija premazivanjapojavilo se kao rješenje.
Prednosti SiC premaza u industriji poluprovodnika
Fizička i hemijska svojstva premaza moraju ispunjavati stroge zahtjeve za otpornost na visoke temperature i koroziju, jer to direktno utiče na prinos i vijek trajanja proizvoda. SiC materijal posjeduje visoku čvrstoću, visoku tvrdoću, nizak koeficijent termičkog širenja i odličnu toplotnu provodljivost, što ga čini ključnim strukturnim i poluprovodničkim materijalom za visoke temperature. Kada se primjenjuje na grafitne podloge, njegove prednosti uključuju:
1) SiC je otporan na koroziju i može u potpunosti obaviti grafitnu podlogu. Njegova visoka gustoća sprječava oštećenja od korozivnih plinova.
2) SiC ima visoku toplinsku provodljivost i jaku čvrstoću vezivanja s grafitnom podlogom, osiguravajući da premaz ostane netaknut čak i nakon ponovljenih ciklusa visokih i niskih temperatura.
3) SiC posjeduje odličnu hemijsku stabilnost, sprečavajući oštećenje premaza u visokotemperaturnim, korozivnim atmosferama.
Nadalje, epitaksijalne peći izrađene od različitih materijala zahtijevaju grafitne posude sa specifičnim specifikacijama performansi. Koeficijent termičkog širenja grafitnog materijala mora biti kompatibilan s temperaturom rasta epitaksijalne peći. Na primjer, budući da je temperatura rasta za epitaksiju silicijum karbida visoka, potrebne su posude s visokim stepenom usklađivanja koeficijenta termičkog širenja. Koeficijent termičkog širenja SiC se vrlo malo razlikuje od grafita, što ga čini preferiranim materijalom za premazivanje površine grafitnih podloga.
SiC postoji u više kristalnih oblika, a trenutno su najčešći tipovi 3C, 4H i 6H, od kojih svaki služi za različite primjene. Na primjer, 4H-SiC se koristi za proizvodnju uređaja velike snage; 6H-SiC je najstabilniji i koristi se za proizvodnju optoelektronskih uređaja; a 3C-SiC, zbog svoje strukturne sličnosti s GaN, koristi se za proizvodnju GaN epitaksijalnih slojeva za proizvodnju SiC-GaN RF uređaja. 3C-SiC se također često naziva β-SiC. Ključna primjena β-SiC je kao materijal za tanke filmove i premaze; posljedično, β-SiC je trenutno primarni materijal koji se koristi za premaze.
Kao uobičajeni potrošni materijal u proizvodnji poluprovodnika, SiC premazi se prvenstveno koriste u procesima kao što su priprema supstrata, epitaksija, oksidacija i difuzija, nagrizanje i implantacija iona. Fizička i hemijska svojstva premaza moraju ispunjavati stroge zahtjeve za otpornost na visoke temperature i otpornost na koroziju, jer to direktno utiče na prinos proizvoda i vijek trajanja. Shodno tome, priprema SiC premaza je ključna.
Postupak za pripremu premaza od silicijum karbida
Trenutno, primarne metode za pripremu SiC premaza uključuju sol-gel metodu, metodu ugradnje, nanošenje četkom, plazma prskanje, hemijsku reakciju iz pare (CVR) i hemijsko taloženje iz pare (CVD).
Metoda ugrađivanja
Ova metoda je vrsta visokotemperaturnog sinterovanja u čvrstom stanju. Primarno koristi mješavinu praha silicija (Si) i praha ugljika (C) kao prah za ugradnju. Grafitna podloga se postavlja unutar praha za ugradnju i sinteruje na visokim temperaturama u atmosferi inertnog plina, čime se na kraju formira SiC premaz na površini grafitne podloge. Ova metoda se odlikuje jednostavnim postupkom i dobrom adhezijom između premaza i podloge; međutim, premaz pokazuje slabu ujednačenost duž smjera debljine i sklon je razvoju brojnih pora, što rezultira slabom otpornošću na oksidaciju.
Metoda premazivanja četkom
Metoda nanošenja premaza četkom prvenstveno uključuje nanošenje tekuće sirovine na površinu grafitne podloge, nakon čega slijedi stvrdnjavanje materijala na određenoj temperaturi kako bi se formirao premaz. Ova metoda je jednostavna i isplativa; međutim, rezultirajući premaz pokazuje slabo prianjanje na podlogu, lošu ujednačenost i relativno je tanak s niskom otpornošću na oksidaciju, što zahtijeva dodatne metode.
Metoda plazma prskanja
Metoda plazma prskanja uključuje korištenje plazma pištolja za prskanje rastopljenog ili polurastopljenog sirovog materijala na površinu grafitne podloge, koji se zatim stvrdnjava i veže formirajući premaz. Ova metoda je jednostavna za korištenje i može proizvesti relativno guste silicijum-karbidne premaze; međutim, rezultirajući premazi su često previše tanki, što dovodi do slabe otpornosti na oksidaciju. Stoga se općenito koristi u pripremi SiC kompozitnih premaza kako bi se poboljšao kvalitet premaza.
Gel-Sol metoda
Gel-sol metoda prvenstveno uključuje pripremu ujednačenog, prozirnog sol rastvora za premazivanje površine supstrata. Nakon sušenja u gel, materijal se sinteruje kako bi se formirao premaz. Ova metoda je jednostavna za korištenje i relativno jeftina; međutim, rezultirajući premazi imaju nedostatke kao što su niska otpornost na termičke udare i sklonost pucanju, što ograničava njihovu široku primjenu.
Metoda hemijske reakcije s parom (CVR)
CVR prvenstveno koristi Si i SiO₂ prahove za generiranje SiO₂ pare na visokim temperaturama, pokrećući niz hemijskih reakcija na površini Si podloge kako bi se formirao SiC premaz. SiC premaz proizveden ovom metodom čvrsto se veže za podlogu; međutim, temperatura reakcije je visoka, a i cijena je relativno visoka.
Hemijsko taloženje iz parne faze (CVD)
CVD je trenutno primarna tehnologija za pripremu SiC premaza na površinama supstrata. Glavni proces uključuje niz fizičko-hemijskih reakcija između gasovitih reaktanata i površine supstrata, što na kraju rezultira taloženjem SiC premaza. SiC premazi proizvedeni CVD tehnologijom čvrsto se vežu za površinu supstrata i mogu efikasno poboljšati otpornost materijala supstrata na oksidaciju i otpornost na ablaciju; međutim, ova metoda zahtijeva relativno dugo vrijeme taloženja, a reakcijski gasovi sadrže određene toksične komponente.
Trendovi u SiC premazima
SiC premazi se prvenstveno koriste kao potrošni materijal u proizvodnji poluprovodnika, a ključne metrike performansi uključuju ujednačenost premaza, koeficijent termičkog širenja i termičku provodljivost. Iako u Kini postoji značajna domaća potražnja za SiC premazima, tehnologija je još uvijek nerazvijena. U inostranstvu samo jedna američka kompanija posluje u ovoj oblasti, a njeni proizvodi su relativno skupi.
Kristalni brodovisu potrošni materijali koji se koriste u epitaksijalnoj proizvodnji i mogu zamijeniti grafit obložen SiC-om, iako je tržišni obim mali. Sljedeći je grafit obložen TaC-om, koji nudi bolju otpornost na hemijsku koroziju od golog grafita ili grafita obloženog SiC-om, ali je preskup i još uvijek je u ranim fazama razvoja. Trenutno, domaće kompanije kao što suLiufang semiconductor, SemiceraiVetek Semiconductorbave se istraživanjem i razvojem u ovoj oblasti.
Vrijeme objave: 20. maj 2026.