Eine Epitaxieschicht ist ein spezieller, einkristalliner Dünnfilm, der mittels Epitaxie auf einem Wafersubstrat aufgebracht wird. Substrat und Epitaxieschicht werden zusammen als Epitaxiewafer bezeichnet. Beispielsweise ergibt das Aufwachsen einer Siliziumkarbid-Epitaxieschicht auf einem leitfähigen Siliziumkarbidsubstrat einen homogenen Siliziumkarbid-Epitaxiewafer, der zur Weiterverarbeitung zu Leistungshalbleitern wie Schottky-Dioden, MOSFETs und IGBTs dient. Das am häufigsten verwendete Substrat ist 4H-SiC.
Da praktisch alle Bauelemente auf Epitaxieschichten gefertigt werden, hat deren Qualität einen erheblichen Einfluss auf die Bauelementleistung. Die Qualität der Epitaxieschicht wird jedoch durch die Kristall- und Substratverarbeitung beeinflusst, wodurch sie einen kritischen Punkt in der Industrie darstellt und eine zentrale Rolle für deren Entwicklung spielt.
Zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung epitaktischer Siliciumcarbidschichten zählen: Dampfabscheidung, Flüssigphasenepitaxie (LPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist dabei das am weitesten verbreitete Verfahren zur homogenen Epitaxie von 4H-SiC. Bei der CVD-Epitaxie von 4H-SiC werden typischerweise CVD-Anlagen eingesetzt, die die Kontinuität der 4H-SiC-Kristallstruktur auch bei hohen Wachstumstemperaturen gewährleisten.
Bei CVD-Anlagen kann das Substrat nicht direkt auf einer Metalloberfläche oder einfach auf einer Trägerplatte für die Epitaxie platziert werden, da dies verschiedene Einflussfaktoren wie Gasströmungsrichtung (horizontal, vertikal), Temperatur, Druck, Fixierung und Kontamination durch abgelöste Partikel mit sich bringt. Daher ist eine Trägerplatte erforderlich; das Substrat wird auf eine Schale gelegt, und anschließend wird die Epitaxie mittels CVD-Technologie durchgeführt. Diese Trägerplatte besteht aus einer SiC-beschichteten Graphitbasis.
Als Kernkomponente zeichnet sich das Graphitsubstrat durch hohe spezifische Festigkeit und spezifischen Elastizitätsmodul sowie gute Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und Korrosion aus. Während der Produktion unterliegt das Graphit jedoch aufgrund korrosiver Gase und metallorganischer Restverbindungen Korrosion und Pulverablösung, was die Lebensdauer des Substrats erheblich verkürzt. Gleichzeitig kann das abgelöste Graphitpulver die Chips verunreinigen. Bei der Herstellung von Siliziumkarbid-Epitaxie-Wafern wird es zunehmend schwieriger, die immer strengeren Anforderungen an Graphitmaterialien zu erfüllen, was deren Entwicklung und praktische Anwendung stark einschränkt.Beschichtungstechnologiehat sich als Lösung herausgestellt.
Vorteile von SiC-Beschichtungen in der Halbleiterindustrie
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Beschichtungen müssen strenge Anforderungen an Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit erfüllen, da diese die Produktausbeute und Lebensdauer direkt beeinflussen. SiC zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Härte, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aus und ist daher ein wichtiges Hochtemperatur-Struktur- und Halbleitermaterial. Bei der Anwendung auf Graphitsubstraten ergeben sich folgende Vorteile:
1) SiC ist korrosionsbeständig und kann das Graphitsubstrat vollständig umschließen. Seine hohe Dichte schützt vor Schäden durch korrosive Gase.
2) SiC besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine starke Bindungsstärke mit dem Graphitsubstrat, wodurch sichergestellt wird, dass die Beschichtung auch nach wiederholten Hoch-Tief-Temperaturzyklen intakt bleibt.
3) SiC besitzt eine ausgezeichnete chemische Stabilität, wodurch ein Versagen der Beschichtung in korrosiven Atmosphären bei hohen Temperaturen verhindert wird.
Darüber hinaus benötigen Epitaxieöfen aus verschiedenen Materialien Graphitschalen mit spezifischen Leistungsanforderungen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Graphitmaterials muss mit der Wachstumstemperatur des Epitaxieofens kompatibel sein. Da beispielsweise die Wachstumstemperatur bei der Siliciumcarbid-Epitaxie hoch ist, werden Schalen mit einer hohen Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten benötigt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von SiC unterscheidet sich nur geringfügig von dem von Graphit, weshalb SiC das bevorzugte Material zur Beschichtung von Graphitsubstraten ist.
Siliziumkarbid (SiC) existiert in verschiedenen Kristallformen, wobei die Typen 3C, 4H und 6H am häufigsten vorkommen und jeweils unterschiedliche Anwendungen erfüllen. So wird 4H-SiC beispielsweise zur Herstellung von Hochleistungsbauelementen verwendet; 6H-SiC ist am stabilsten und wird für optoelektronische Bauelemente eingesetzt; und 3C-SiC dient aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit mit Galliumnitrid (GaN) zur Herstellung von GaN-Epitaxieschichten für die Fertigung von SiC-GaN-HF-Bauelementen. 3C-SiC wird auch häufig als β-SiC bezeichnet. Eine wichtige Anwendung von β-SiC ist die Verwendung als Dünnschicht- und Beschichtungsmaterial; daher ist β-SiC derzeit das primäre Material für Beschichtungen.
Als gängiges Verbrauchsmaterial in der Halbleiterproduktion werden SiC-Beschichtungen hauptsächlich in Prozessen wie Substratvorbereitung, Epitaxie, Oxidation und Diffusion, Ätzen und Ionenimplantation eingesetzt. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Beschichtung müssen strenge Anforderungen an Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit erfüllen, da diese die Produktausbeute und Lebensdauer direkt beeinflussen. Daher ist die Herstellung von SiC-Beschichtungen von entscheidender Bedeutung.
Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid-Beschichtungen
Zu den wichtigsten Methoden zur Herstellung von SiC-Beschichtungen zählen derzeit das Sol-Gel-Verfahren, das Einbettungsverfahren, das Bürstenbeschichtungsverfahren, das Plasmaspritzen, die chemische Gasphasenreaktion (CVR) und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD).
Einbettungsmethode
Dieses Verfahren ist eine Art Hochtemperatur-Festkörpersintern. Es verwendet hauptsächlich ein Gemisch aus Silizium- (Si) und Kohlenstoffpulver (C) als Einbettungspulver. Ein Graphitsubstrat wird in das Einbettungspulver eingebracht und unter Schutzgasatmosphäre bei hohen Temperaturen gesintert, wodurch sich schließlich eine SiC-Beschichtung auf der Oberfläche des Graphitsubstrats bildet. Das Verfahren zeichnet sich durch einen einfachen Ablauf und eine gute Haftung zwischen Beschichtung und Substrat aus; allerdings weist die Beschichtung eine geringe Gleichmäßigkeit in Dickenrichtung auf und neigt zur Bildung zahlreicher Poren, was zu einer geringen Oxidationsbeständigkeit führt.
Pinselbeschichtungsmethode
Das Pinselbeschichtungsverfahren besteht im Wesentlichen darin, flüssiges Rohmaterial auf die Oberfläche des Graphitsubstrats aufzutragen und anschließend bei einer bestimmten Temperatur auszuhärten, um die Beschichtung zu bilden. Dieses Verfahren ist einfach und kostengünstig; die resultierende Beschichtung weist jedoch eine schwache Haftung auf dem Substrat, eine geringe Gleichmäßigkeit und eine relativ dünne Schicht mit niedriger Oxidationsbeständigkeit auf, was zusätzliche Verfahren erforderlich macht.
Plasmaspritzverfahren
Beim Plasmaspritzen wird geschmolzenes oder halbschmelzflüssiges Rohmaterial mithilfe einer Plasmapistole auf die Oberfläche eines Graphitsubstrats gesprüht. Das Material erstarrt und verbindet sich zu einer Beschichtung. Das Verfahren ist einfach anzuwenden und ermöglicht die Herstellung relativ dichter Siliciumcarbid-Beschichtungen. Allerdings sind die resultierenden Beschichtungen oft zu dünn, was zu einer geringen Oxidationsbeständigkeit führt. Daher wird es hauptsächlich zur Herstellung von SiC-Verbundbeschichtungen eingesetzt, um die Beschichtungsqualität zu verbessern.
Gel-Sol-Methode
Das Gel-Sol-Verfahren beinhaltet im Wesentlichen die Herstellung einer homogenen, transparenten Sol-Lösung zur Beschichtung der Substratoberfläche. Nach dem Trocknen zu einem Gel wird das Material gesintert, um die Beschichtung zu bilden. Dieses Verfahren ist einfach durchzuführen und relativ kostengünstig; die resultierenden Beschichtungen weisen jedoch Nachteile wie geringe Temperaturwechselbeständigkeit und Rissneigung auf, was ihre breite Anwendung einschränkt.
Chemische Dampfreaktion (CVR)-Methode
Bei der CVR-Methode werden hauptsächlich Si- und SiO₂-Pulver verwendet, um bei hohen Temperaturen SiO₂-Dampf zu erzeugen. Dieser löst auf der Oberfläche des Si-Substrats eine Reihe chemischer Reaktionen aus, die zur Bildung einer SiC-Beschichtung führen. Die so erzeugte SiC-Beschichtung verbindet sich fest mit dem Substrat; allerdings sind die Reaktionstemperaturen hoch und die Kosten relativ hoch.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist derzeit die wichtigste Technologie zur Herstellung von SiC-Beschichtungen auf Substratoberflächen. Der Hauptprozess umfasst eine Reihe physikalisch-chemischer Reaktionen zwischen gasförmigen Reaktanten und der Substratoberfläche, die letztendlich zur Abscheidung einer SiC-Beschichtung führen. Mit CVD-Technologie hergestellte SiC-Beschichtungen haften fest an der Substratoberfläche und können die Oxidations- und Abtragsbeständigkeit des Substratmaterials effektiv verbessern. Allerdings erfordert dieses Verfahren eine relativ lange Abscheidungszeit, und die Reaktionsgase enthalten bestimmte toxische Komponenten.
Trends bei SiC-Beschichtungen
SiC-Beschichtungen werden hauptsächlich als Verbrauchsmaterialien in der Halbleiterfertigung eingesetzt. Zu den wichtigsten Leistungskennzahlen zählen Beschichtungsgleichmäßigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit. Obwohl in China eine erhebliche Inlandsnachfrage nach SiC-Beschichtungen besteht, ist die Technologie dort noch nicht ausgereift. Weltweit ist derzeit nur ein US-amerikanisches Unternehmen in diesem Bereich tätig, und dessen Produkte sind vergleichsweise teuer.
KristallbooteEs handelt sich um Verbrauchsmaterialien, die in der Epitaxieproduktion eingesetzt werden und SiC-beschichteten Graphit ersetzen können, obwohl der Markt noch klein ist. An zweiter Stelle steht TaC-beschichteter Graphit, der eine bessere chemische Korrosionsbeständigkeit als unbeschichteter Graphit oder SiC-beschichteter Graphit bietet, jedoch extrem teuer ist und sich noch in der frühen Entwicklungsphase befindet. Derzeit sind inländische Unternehmen wie beispielsweise …Liufang-Halbleiter, Semicera, UndVetek Semiconductorsind in diesem Bereich in Forschung und Entwicklung tätig.
Veröffentlichungsdatum: 20. Mai 2026