Et epitaksialt lag er en specifik enkeltkrystal tyndfilm, der dyrkes på et wafersubstrat gennem en epitaksial proces; substratwaferen og den epitaksiale film betegnes samlet som en epitaksial wafer. Blandt disse producerer dyrkning af et epitaksialt lag af siliciumcarbid på et ledende siliciumcarbidsubstrat en homogen epitaksial wafer af siliciumcarbid, som yderligere kan fremstilles til effektenheder såsom Schottky-dioder, MOSFET'er og IGBT'er. Den mest anvendte substrattype er 4H-SiC-substratet.
Da stort set alle enheder er fremstillet på epitaksiale lag, har kvaliteten af det epitaksiale lag en betydelig indflydelse på enhedernes ydeevne. Imidlertid påvirkes kvaliteten af det epitaksiale lag af krystal- og substratbehandling, hvilket placerer det på et kritisk punkt i industrien og spiller en central rolle i dens udvikling.
De primære metoder til fremstilling af epitaksiale lag af siliciumcarbid omfatter: dampaflejring; flydende faseepitaksi (LPE); molekylærstråleepitaksi (MBE); og kemisk dampaflejring (CVD). Blandt disse er kemisk dampaflejring (CVD) den mest anvendte metode til homogen 4H-SiC-epitaksi. 4H-SiC CVD-epitaksi anvender typisk CVD-udstyr, som sikrer kontinuiteten af 4H-SiC-krystalstrukturen under høje væksttemperaturer.
I CVD-udstyr kan substratet ikke placeres direkte på en metaloverflade eller blot placeres på en base til epitaksial aflejring, da dette involverer forskellige påvirkningsfaktorer såsom gasstrømningsretning (horisontal, lodret), temperatur, tryk, fiksering og kontaminering fra afgivne partikler. Derfor kræves en støttebase; substratet placeres på en bakke, og epitaksial aflejring udføres derefter på substratet ved hjælp af CVD-teknologi. Denne støttebase er en SiC-belagt grafitbase.
Som en kernekomponent har grafitsubstratet en høj specifik styrke og et specifikt modul, samt god modstandsdygtighed over for termisk stød og korrosion. Under produktionen er grafitten dog udsat for korrosion og pulverafgivelse på grund af korrosive gasser og resterende organometalliske forbindelser, hvilket reducerer substratets levetid betydeligt. Samtidig kan det afgivne grafitpulver forurene chipsene. Ved produktion af epitaksiale wafere af siliciumcarbid er det blevet stadig vanskeligere at opfylde de stadigt strengere krav til grafitmaterialer, hvilket i høj grad begrænser deres udvikling og praktiske anvendelse. Følgelig,belægningsteknologier dukket op som en løsning.
Fordele ved SiC-belægninger i halvlederindustrien
Belægningers fysiske og kemiske egenskaber skal opfylde strenge krav til højtemperatur- og korrosionsbestandighed, da disse direkte påvirker produktets udbytte og levetid. SiC-materiale har høj styrke, høj hårdhed, en lav termisk udvidelseskoefficient og fremragende varmeledningsevne, hvilket gør det til et kritisk strukturelt og halvledermateriale til høje temperaturer. Når det anvendes på grafitsubstrater, omfatter dets fordele:
1) SiC er korrosionsbestandigt og kan indkapsle grafitsubstratet fuldstændigt. Dens høje densitet forhindrer skader fra ætsende gasser.
2) SiC har høj varmeledningsevne og stærk bindingsstyrke med grafitsubstratet, hvilket sikrer, at belægningen forbliver intakt selv efter gentagne cyklusser med høj og lav temperatur.
3) SiC har fremragende kemisk stabilitet, hvilket forhindrer belægningsfejl i korrosive atmosfærer med høj temperatur.
Derudover kræver epitaksialovne lavet af forskellige materialer grafitbakker med specifikke ydelsesspecifikationer. Grafitmaterialets termiske udvidelseskoefficient skal være kompatibel med epitaksialovnens væksttemperatur. For eksempel, da væksttemperaturen for siliciumcarbid-epitaksi er høj, kræves bakker med en høj grad af termisk udvidelseskoefficienttilpasning. SiC's termiske udvidelseskoefficient adskiller sig meget lidt fra grafits, hvilket gør det til det foretrukne materiale til belægning af overfladen af grafitsubstrater.
SiC findes i flere krystalformer, hvor de mest almindelige i øjeblikket er 3C-, 4H- og 6H-typer, der hver især tjener forskellige anvendelser. For eksempel bruges 4H-SiC til at fremstille højtydende enheder; 6H-SiC er den mest stabile og bruges til at fremstille optoelektroniske enheder; og 3C-SiC bruges, på grund af sin strukturelle lighed med GaN, til at producere GaN-epitaksiale lag til fremstilling af SiC-GaN RF-enheder. 3C-SiC kaldes også almindeligvis β-SiC. En vigtig anvendelse af β-SiC er som et tyndfilms- og belægningsmateriale; derfor er β-SiC i øjeblikket det primære materiale, der anvendes til belægninger.
Som et almindeligt forbrugsstof i halvlederproduktion anvendes SiC-belægninger primært i processer som substratforberedelse, epitaksi, oxidation og diffusion, ætsning og ionimplantation. Belægningens fysiske og kemiske egenskaber skal opfylde strenge krav til højtemperaturresistens og korrosionsbestandighed, da disse direkte påvirker produktets udbytte og levetid. Derfor er forberedelsen af SiC-belægninger afgørende.
Fremgangsmåde til fremstilling af siliciumcarbidbelægninger
I øjeblikket omfatter de primære metoder til fremstilling af SiC-belægninger sol-gel-metoden, indlejringsmetoden, børstebelægning, plasmasprøjtning, kemisk dampreaktion (CVR) og kemisk dampaflejring (CVD).
Indlejringsmetode
Denne metode er en type højtemperatur faststofsintring. Den bruger primært en blanding af silicium (Si) pulver og kulstof (C) pulver som indlejringspulver. Et grafitsubstrat placeres i indlejringspulveret og sintres ved høje temperaturer i en inert gasatmosfære, hvorved der i sidste ende dannes en SiC-belægning på overfladen af grafitsubstratet. Denne metode har en simpel proces og god vedhæftning mellem belægningen og substratet; belægningen udviser dog dårlig ensartethed langs tykkelsesretningen og er tilbøjelig til at udvikle adskillige porer, hvilket resulterer i dårlig oxidationsmodstand.
Penselbelægningsmetode
Børstebelægningsmetoden involverer primært påføring af flydende råmateriale på overfladen af grafitsubstratet, efterfulgt af hærdning af materialet ved en specifik temperatur for at danne belægningen. Denne metode er enkel og omkostningseffektiv; den resulterende belægning udviser dog svag vedhæftning til substratet, dårlig ensartethed og er relativt tynd med lav oxidationsmodstand, hvilket nødvendiggør supplerende metoder.
Plasma sprøjtemetode
Plasmasprayningsmetoden involverer brug af en plasmapistol til at sprøjte smeltet eller halvsmeltet råmateriale på overfladen af grafitsubstratet, som derefter størkner og binder sig for at danne en belægning. Denne metode er enkel at betjene og kan producere relativt tætte siliciumcarbidbelægninger; de resulterende belægninger er dog ofte for tynde, hvilket fører til dårlig oxidationsbestandighed. Derfor anvendes den generelt til fremstilling af SiC-kompositbelægninger for at forbedre belægningskvaliteten.
Gel-Sol-metoden
Gel-sol-metoden involverer primært fremstilling af en ensartet, transparent solopløsning til at belægge substratoverfladen. Efter tørring til en gel sintres materialet for at danne belægningen. Denne metode er enkel at betjene og relativt billig; de resulterende belægninger lider dog af ulemper såsom lav termisk chokmodstand og en tendens til at revne, hvilket begrænser deres udbredte anvendelse.
Kemisk dampreaktionsmetode (CVR)
CVR bruger primært Si og SiO₂-pulvere til at generere SiO₂-damp ved høje temperaturer, hvilket udløser en række kemiske reaktioner på overfladen af Si-substratet for at danne en SiC-belægning. SiC-belægningen, der produceres ved denne metode, binder tæt til substratet; reaktionstemperaturen er dog høj, og omkostningerne er også relativt høje.
Kemisk dampaflejring (CVD)
CVD er i øjeblikket den primære teknologi til fremstilling af SiC-belægninger på substratoverflader. Hovedprocessen involverer en række fysisk-kemiske reaktioner mellem gasformige reaktanter og substratoverfladen, hvilket i sidste ende resulterer i aflejring af en SiC-belægning. SiC-belægninger produceret ved hjælp af CVD-teknologi binder tæt til substratoverfladen og kan effektivt forbedre substratmaterialets oxidationsmodstand og ablationsmodstand. Denne metode kræver dog en relativt lang aflejringstid, og reaktionsgasserne indeholder visse giftige komponenter.
Tendenser inden for SiC-belægninger
SiC-belægninger anvendes primært som forbrugsvarer i halvlederfremstilling, hvor nøglepræstationsmålinger omfatter belægningensartethed, termisk udvidelseskoefficient og termisk ledningsevne. Selvom der er en betydelig indenlandsk efterspørgsel efter SiC-belægninger i Kina, er teknologien stadig umoden. I udlandet opererer kun én amerikansk virksomhed inden for dette område, og dens produkter er relativt dyre.
Krystalbådeer forbrugsvarer, der anvendes i epitaksial produktion, som kan erstatte SiC-belagt grafit, selvom markedsvolumen er lille. Dernæst er TaC-belagt grafit, som tilbyder bedre kemisk korrosionsbestandighed end bar grafit eller SiC-belagt grafit, men den er uoverkommeligt dyr og stadig i de tidlige udviklingsstadier. I øjeblikket er indenlandske virksomheder som f.eks.Liufang halvleder, Halvmose, ogVetek Semiconductorer engageret i forskning og udvikling på dette område.
Udsendelsestidspunkt: 20. maj 2026