Una capa epitaxial és una pel·lícula fina de monocristall específica que creix sobre un substrat d'oblia mitjançant un procés epitaxial; l'oblia del substrat i la pel·lícula epitaxial es denominen col·lectivament oblia epitaxial. Entre aquestes, el creixement d'una capa epitaxial de carbur de silici sobre un substrat conductor de carbur de silici produeix una oblia epitaxial homogènia de carbur de silici, que es pot fabricar posteriorment en dispositius de potència com ara díodes Schottky, MOSFET i IGBT. El tipus de substrat més utilitzat és el substrat 4H-SiC.
Com que pràcticament tots els dispositius es fabriquen sobre capes epitaxials, la qualitat de la capa epitaxial té un impacte significatiu en el rendiment del dispositiu. Tanmateix, la qualitat de la capa epitaxial es veu influenciada pel processament del cristall i del substrat, cosa que la situa en un moment crític de la indústria i juga un paper fonamental en el seu desenvolupament.
Els mètodes principals per preparar capes epitaxials de carbur de silici inclouen: deposició de vapor; epitaxia en fase líquida (LPE); epitaxia de feix molecular (MBE); i deposició química de vapor (CVD). Entre aquests, la deposició química de vapor (CVD) és el mètode més utilitzat per a l'epitaxia homogènia de 4H-SiC. L'epitaxia CVD de 4H-SiC normalment utilitza equips CVD, que garanteixen la continuïtat de l'estructura cristal·lina de 4H-SiC a altes temperatures de creixement.
En els equips de CVD, el substrat no es pot col·locar directament sobre una superfície metàl·lica ni simplement sobre una base per a la deposició epitaxial, ja que això implica diversos factors d'influència com ara la direcció del flux de gas (horitzontal, vertical), la temperatura, la pressió, la fixació i la contaminació per partícules despreses. Per tant, es requereix una base de suport; el substrat es col·loca en una safata i, a continuació, es realitza la deposició epitaxial sobre el substrat mitjançant la tecnologia CVD. Aquesta base de suport és una base de grafit recoberta de SiC.
Com a component principal, el substrat de grafit presenta una alta resistència específica i mòdul específic, així com una bona resistència al xoc tèrmic i a la corrosió. Tanmateix, durant la producció, el grafit està subjecte a corrosió i despreniment de pols a causa dels gasos corrosius i els compostos organometàl·lics residuals, cosa que redueix significativament la vida útil del substrat. Al mateix temps, la pols de grafit despresa pot contaminar els xips. En la producció d'oblies epitaxials de carbur de silici, cada cop és més difícil complir els requisits cada cop més estrictes per als materials de grafit, cosa que limita greument el seu desenvolupament i aplicació pràctica. En conseqüència,tecnologia de recobrimentha sorgit com a solució.
Avantatges dels recobriments de SiC a la indústria dels semiconductors
Les propietats físiques i químiques dels recobriments han de complir uns requisits estrictes de resistència a altes temperatures i a la corrosió, ja que aquests impacten directament en el rendiment i la vida útil del producte. El material SiC posseeix una alta resistència, una alta duresa, un baix coeficient d'expansió tèrmica i una excel·lent conductivitat tèrmica, cosa que el converteix en un material estructural i semiconductor crític per a altes temperatures. Quan s'aplica a substrats de grafit, els seus avantatges inclouen:
1) El SiC és resistent a la corrosió i pot encapsular completament el substrat de grafit. La seva alta densitat evita els danys causats pels gasos corrosius.
2) El SiC té una alta conductivitat tèrmica i una forta força d'unió amb el substrat de grafit, cosa que garanteix que el recobriment romangui intacte fins i tot després de cicles repetits d'alta i baixa temperatura.
3) El SiC posseeix una excel·lent estabilitat química, cosa que evita la fallada del recobriment en atmosferes corrosives d'alta temperatura.
A més, els forns epitaxials fets de diferents materials requereixen safates de grafit amb especificacions de rendiment específiques. El coeficient d'expansió tèrmica del material de grafit ha de ser compatible amb la temperatura de creixement del forn epitaxial. Per exemple, com que la temperatura de creixement per a l'epitàxia de carbur de silici és alta, es requereixen safates amb un alt grau d'adaptació del coeficient d'expansió tèrmica. El coeficient d'expansió tèrmica del SiC difereix molt poc del del grafit, cosa que el converteix en el material preferit per recobrir la superfície dels substrats de grafit.
El SiC existeix en múltiples formes cristal·lines, sent les més comunes actualment els tipus 3C, 4H i 6H, cadascuna amb aplicacions diferents. Per exemple, el 4H-SiC s'utilitza per fabricar dispositius d'alta potència; el 6H-SiC és el més estable i s'utilitza per fabricar dispositius optoelectrònics; i el 3C-SiC, a causa de la seva similitud estructural amb el GaN, s'utilitza per produir capes epitaxials de GaN per a la fabricació de dispositius de radiofreqüència de SiC-GaN. El 3C-SiC també es coneix comunament com a β-SiC. Una aplicació clau del β-SiC és com a material de pel·lícula fina i recobriment; en conseqüència, el β-SiC és actualment el material principal utilitzat per als recobriments.
Com a consumible comú en la producció de semiconductors, els recobriments de SiC s'utilitzen principalment en processos com la preparació de substrats, l'epitàxia, l'oxidació i la difusió, el gravat i la implantació d'ions. Les propietats físiques i químiques del recobriment han de complir uns requisits estrictes de resistència a altes temperatures i a la corrosió, ja que aquestes influeixen directament en el rendiment i la vida útil del producte. En conseqüència, la preparació dels recobriments de SiC és fonamental.
Procés per a la preparació de recobriments de carbur de silici
Actualment, els principals mètodes per preparar recobriments de SiC inclouen el mètode sol-gel, el mètode d'incrustació, el recobriment amb raspall, la polvorització per plasma, la reacció química de vapor (CVR) i la deposició química de vapor (CVD).
Mètode d'incrustació
Aquest mètode és un tipus de sinterització d'estat sòlid a alta temperatura. Principalment utilitza una barreja de pols de silici (Si) i pols de carboni (C) com a pols d'incrustació. Es col·loca un substrat de grafit dins de la pols d'incrustació i es sinteritza a altes temperatures en una atmosfera de gas inert, formant finalment un recobriment de SiC a la superfície del substrat de grafit. Aquest mètode presenta un procés senzill i una bona adherència entre el recobriment i el substrat; tanmateix, el recobriment presenta una uniformitat deficient al llarg de la direcció del gruix i és propens a desenvolupar nombrosos porus, la qual cosa resulta en una resistència a l'oxidació deficient.
Mètode de recobriment amb pinzell
El mètode de recobriment amb raspall consisteix principalment en aplicar matèria primera líquida a la superfície del substrat de grafit, seguit del curat del material a una temperatura específica per formar el recobriment. Aquest mètode és senzill i rendible; tanmateix, el recobriment resultant presenta una adherència feble al substrat, una uniformitat deficient i és relativament prim amb baixa resistència a l'oxidació, cosa que requereix mètodes suplementaris.
Mètode de polvorització per plasma
El mètode de polvorització per plasma consisteix a utilitzar una pistola de plasma per polvoritzar matèria primera fosa o semifosa sobre la superfície del substrat de grafit, que després solidifica i s'uneix per formar un recobriment. Aquest mètode és fàcil d'operar i pot produir recobriments de carbur de silici relativament densos; tanmateix, els recobriments resultants sovint són massa prims, cosa que comporta una baixa resistència a l'oxidació. Per tant, generalment s'utilitza en la preparació de recobriments compostos de SiC per millorar la qualitat del recobriment.
Mètode Gel-Sol
El mètode gel-sol consisteix principalment a preparar una solució de sol uniforme i transparent per recobrir la superfície del substrat. Després d'assecar-se en un gel, el material es sinteritza per formar el recobriment. Aquest mètode és fàcil d'operar i relativament baix cost; no obstant això, els recobriments resultants pateixen inconvenients com ara una baixa resistència al xoc tèrmic i una tendència a esquerdar-se, cosa que limita la seva aplicació generalitzada.
Mètode de reacció química de vapor (CVR)
El CVR utilitza principalment pols de Si i SiO₂ per generar vapor de SiO₂ a altes temperatures, desencadenant una sèrie de reaccions químiques a la superfície del substrat de Si per formar un recobriment de SiC. El recobriment de SiC produït per aquest mètode s'uneix fortament al substrat; tanmateix, la temperatura de reacció és alta i el cost també és relativament alt.
Deposició química de vapor (CVD)
La CVD és actualment la tecnologia principal per a la preparació de recobriments de SiC en superfícies de substrats. El procés principal implica una sèrie de reaccions fisicoquímiques entre els reactius gasosos i la superfície del substrat, que finalment donen lloc a la deposició d'un recobriment de SiC. Els recobriments de SiC produïts per la tecnologia CVD s'uneixen fermament a la superfície del substrat i poden millorar eficaçment la resistència a l'oxidació i la resistència a l'ablació del material del substrat; tanmateix, aquest mètode requereix un temps de deposició relativament llarg i els gasos de reacció contenen certs components tòxics.
Tendències en recobriments de SiC
Els recobriments de SiC s'utilitzen principalment com a consumibles en la fabricació de semiconductors, i les mètriques clau de rendiment inclouen la uniformitat del recobriment, el coeficient d'expansió tèrmica i la conductivitat tèrmica. Tot i que hi ha una demanda interna important de recobriments de SiC a la Xina, la tecnologia continua sent immadura. A l'estranger, només una empresa nord-americana opera en aquest camp, i els seus productes són relativament cars.
Vaixells de cristallsón consumibles utilitzats en la producció epitaxial que poden substituir el grafit recobert de SiC, tot i que el volum de mercat és petit. El següent és el grafit recobert de TaC, que ofereix una millor resistència a la corrosió química que el grafit nu o el grafit recobert de SiC, però és prohibitivament car i encara es troba en les primeres etapes de desenvolupament. Actualment, empreses nacionals com araSemiconductor Liufang, Semicera, iVetek Semiconductores dediquen a la R+D en aquest àmbit.
Data de publicació: 20 de maig de 2026