Epitaxní vrstva je specifický tenký film monokrystalu vypěstovaný na destičkovém substrátu epitaxním procesem; substrátová destička a epitaxní film se souhrnně označují jako epitaxní destička. V těchto případech pěstování epitaxní vrstvy karbidu křemíku na vodivém substrátu z karbidu křemíku vytváří homogenní epitaxní destičku z karbidu křemíku, kterou lze dále zpracovávat do výkonových zařízení, jako jsou Schottkyho diody, MOSFETy a IGBT. Nejrozšířenějším typem substrátu je substrát 4H-SiC.
Vzhledem k tomu, že prakticky všechna zařízení jsou vyráběna na epitaxních vrstvách, má kvalita epitaxní vrstvy významný vliv na výkon zařízení. Kvalitu epitaxní vrstvy však ovlivňuje zpracování krystalu a substrátu, což ji řadí do kritického bodu v tomto odvětví a hraje klíčovou roli v jeho vývoji.
Mezi hlavní metody přípravy epitaxních vrstev karbidu křemíku patří: depozice z plynné fáze, epitaxe v kapalné fázi (LPE), molekulární svazková epitaxe (MBE) a chemická depozice z plynné fáze (CVD). Mezi nimi je chemická depozice z plynné fáze (CVD) nejrozšířenější metodou pro homogenní epitaxi 4H-SiC. CVD epitaxe 4H-SiC obvykle využívá CVD zařízení, které zajišťuje kontinuitu krystalové struktury 4H-SiC za vysokých růstových teplot.
V CVD zařízeních nelze substrát umístit přímo na kovový povrch ani jednoduše umístit na podložku pro epitaxní depozici, protože to zahrnuje různé ovlivňující faktory, jako je směr proudění plynu (horizontální, vertikální), teplota, tlak, fixace a kontaminace od uvolňujících se částic. Proto je nutná podpůrná podložka; substrát se umístí na tác a na substrátu se poté provede epitaxní depozice pomocí CVD technologie. Tato podpůrná podložka je grafitová podložka s povlakem SiC.
Grafitový substrát jakožto základní složka se vyznačuje vysokou specifickou pevností a specifickým modulem, stejně jako dobrou odolností vůči tepelným šokům a korozi. Během výroby je však grafit náchylný ke korozi a odlupování prášku v důsledku korozivních plynů a zbytkových organokovových sloučenin, což výrazně snižuje životnost substrátu. Zároveň může odlupující se grafitový prášek kontaminovat třísky. Při výrobě epitaxních destiček z karbidu křemíku je stále obtížnější splnit stále přísnější požadavky na grafitové materiály, což výrazně omezuje jejich vývoj a praktické použití. V důsledku toho,technologie povrchové úpravyse ukázalo jako řešení.
Výhody povlaků SiC v polovodičovém průmyslu
Fyzikální a chemické vlastnosti povlaků musí splňovat přísné požadavky na odolnost vůči vysokým teplotám a korozi, protože tyto faktory přímo ovlivňují výtěžnost a životnost produktu. Materiál SiC má vysokou pevnost, vysokou tvrdost, nízký koeficient tepelné roztažnosti a vynikající tepelnou vodivost, což z něj činí klíčový vysokoteplotní konstrukční a polovodičový materiál. Při aplikaci na grafitové substráty mezi jeho výhody patří:
1) SiC je odolný vůči korozi a dokáže plně zapouzdřit grafitový substrát. Jeho vysoká hustota zabraňuje poškození korozivními plyny.
2) SiC má vysokou tepelnou vodivost a silnou vazbu s grafitovým substrátem, což zajišťuje, že povlak zůstane neporušený i po opakovaných cyklech vysokých a nízkých teplot.
3) SiC má vynikající chemickou stabilitu, která zabraňuje selhání povlaku ve vysokoteplotním a korozivním prostředí.
Epitaxní pece vyrobené z různých materiálů dále vyžadují grafitové misky se specifickými výkonnostními specifikacemi. Koeficient tepelné roztažnosti grafitového materiálu musí být kompatibilní s teplotou růstu epitaxní pece. Například vzhledem k vysoké teplotě růstu pro epitaxi karbidu křemíku jsou vyžadovány misky s vysokým stupněm shody koeficientu tepelné roztažnosti. Koeficient tepelné roztažnosti SiC se liší jen velmi málo od koeficientu tepelné roztažnosti grafitu, což z něj činí preferovaný materiál pro potahování povrchu grafitových substrátů.
SiC existuje v několika krystalových formách, přičemž nejběžnější jsou v současnosti typy 3C, 4H a 6H, přičemž každá slouží k různým aplikacím. Například 4H-SiC se používá k výrobě vysoce výkonných zařízení; 6H-SiC je nejstabilnější a používá se k výrobě optoelektronických zařízení; a 3C-SiC se díky své strukturní podobnosti s GaN používá k výrobě epitaxních vrstev GaN pro výrobu RF zařízení SiC-GaN. 3C-SiC se také běžně označuje jako β-SiC. Klíčovou aplikací β-SiC je jako tenkovrstvý a povlakový materiál; v důsledku toho je β-SiC v současnosti primárním materiálem používaným pro povlaky.
Jako běžný spotřební materiál při výrobě polovodičů se povlaky SiC používají především v procesech, jako je příprava substrátů, epitaxe, oxidace a difúze, leptání a iontová implantace. Fyzikální a chemické vlastnosti povlaku musí splňovat přísné požadavky na odolnost vůči vysokým teplotám a korozi, protože tyto vlastnosti přímo ovlivňují výtěžnost a životnost produktu. Příprava povlaků SiC je proto zásadní.
Postup přípravy povlaků z karbidu křemíku
V současné době mezi primární metody přípravy SiC povlaků patří sol-gelová metoda, metoda zalévání, nanášení štětcem, plazmové stříkání, chemická reakce z plynné fáze (CVR) a chemická depozice z plynné fáze (CVD).
Metoda vkládání
Tato metoda je typem vysokoteplotního slinování v pevné fázi. Primárně využívá směs křemíkového (Si) prášku a uhlíkového (C) prášku jako zalévací prášek. Grafitový substrát je umístěn do zalévacího prášku a slinován při vysokých teplotách v atmosféře inertního plynu, čímž se na povrchu grafitového substrátu vytvoří povlak SiC. Tato metoda se vyznačuje jednoduchým postupem a dobrou adhezí mezi povlakem a substrátem; povlak však vykazuje špatnou rovnoměrnost podél směru tloušťky a je náchylný k tvorbě četných pórů, což má za následek špatnou odolnost proti oxidaci.
Metoda nanášení štětcem
Metoda nanášení štětcem spočívá především v nanášení tekuté suroviny na povrch grafitového substrátu a následném vytvrzení materiálu při specifické teplotě za vzniku povlaku. Tato metoda je jednoduchá a cenově výhodná; výsledný povlak však vykazuje slabou přilnavost k substrátu, špatnou rovnoměrnost a je relativně tenký s nízkou odolností proti oxidaci, což vyžaduje doplňkové metody.
Metoda plazmového stříkání
Metoda plazmového stříkání zahrnuje použití plazmové pistole k nanášení roztavené nebo poloroztavené suroviny na povrch grafitového substrátu, která poté ztuhne a spojí se za vzniku povlaku. Tato metoda je snadno ovladatelná a umožňuje vytvářet relativně husté povlaky karbidu křemíku; výsledné povlaky jsou však často příliš tenké, což vede ke špatné odolnosti proti oxidaci. Proto se obecně používá při přípravě kompozitních povlaků SiC ke zlepšení kvality povlaku.
Metoda gel-sol
Metoda gel-sol zahrnuje především přípravu jednotného, transparentního solového roztoku k potažení povrchu substrátu. Po vysušení do gelu se materiál spéká za vzniku povlaku. Tato metoda je snadno ovladatelná a relativně levná; výsledné povlaky však trpí nevýhodami, jako je nízká odolnost vůči tepelným šokům a sklon k praskání, což omezuje jejich široké použití.
Metoda chemické reakce v plynné fázi (CVR)
CVR primárně využívá prášky Si a SiO₂ k vytváření páry SiO₂ při vysokých teplotách, čímž se spouští řada chemických reakcí na povrchu Si substrátu za vzniku SiC povlaku. SiC povlak vyrobený touto metodou se pevně spojí se substrátem; reakční teplota je však vysoká a náklady jsou také relativně vysoké.
Chemická depozice z plynné fáze (CVD)
CVD je v současnosti primární technologií pro přípravu SiC povlaků na površích substrátů. Hlavní proces zahrnuje řadu fyzikálně-chemických reakcí mezi plynnými reaktanty a povrchem substrátu, které nakonec vedou k nanesení SiC povlaku. SiC povlaky vyrobené technologií CVD se pevně vážou na povrch substrátu a mohou účinně zlepšit odolnost substrátu proti oxidaci a ablaci; tato metoda však vyžaduje relativně dlouhou dobu nanášení a reakční plyny obsahují určité toxické složky.
Trendy v povlakech SiC
Povlaky SiC se používají především jako spotřební materiál při výrobě polovodičů, přičemž klíčovými ukazateli výkonnosti jsou rovnoměrnost povlaku, koeficient tepelné roztažnosti a tepelná vodivost. Přestože v Číně existuje značná domácí poptávka po povlakech SiC, tato technologie je stále nedokončená. V zahraničí v této oblasti působí pouze jedna americká společnost a její produkty jsou relativně drahé.
Křišťálové lodějsou spotřební materiály používané v epitaxní výrobě, které mohou nahradit grafit s povlakem SiC, ačkoli objem trhu je malý. Dalším je grafit s povlakem TaC, který nabízí lepší chemickou odolnost proti korozi než holý grafit nebo grafit s povlakem SiC, ale je neúměrně drahý a stále v raných fázích vývoje. V současné době domácí společnosti jako napříkladPolovodič Liufang, SemiceraaVetek Semiconductorse v této oblasti zabývají výzkumem a vývojem.
Čas zveřejnění: 20. května 2026