Ένα επιταξιακό στρώμα είναι μια συγκεκριμένη λεπτή μεμβράνη μονοκρυστάλλου που αναπτύσσεται σε ένα υπόστρωμα πλακιδίου μέσω μιας επιταξιακής διαδικασίας. Το πλακίδιο υποστρώματος και το επιταξιακό φιλμ αναφέρονται συλλογικά ως επιταξιακό πλακίδιο. Μεταξύ αυτών, η ανάπτυξη ενός επιταξιακού στρώματος καρβιδίου του πυριτίου σε ένα αγώγιμο υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου παράγει ένα ομοιογενές επιταξιακό πλακίδιο καρβιδίου του πυριτίου, το οποίο μπορεί περαιτέρω να κατασκευαστεί σε συσκευές ισχύος όπως διόδους Schottky, MOSFET και IGBT. Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος υποστρώματος είναι το υπόστρωμα 4H-SiC.
Δεδομένου ότι σχεδόν όλες οι συσκευές κατασκευάζονται σε επιταξιακά στρώματα, η ποιότητα του επιταξιακού στρώματος έχει σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση της συσκευής. Ωστόσο, η ποιότητα του επιταξιακού στρώματος επηρεάζεται από την επεξεργασία κρυστάλλων και υποστρωμάτων, γεγονός που την τοποθετεί σε ένα κρίσιμο σημείο της βιομηχανίας και παίζει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξή της.
Οι κύριες μέθοδοι για την παρασκευή επιταξιακών στρωμάτων καρβιδίου του πυριτίου περιλαμβάνουν: εναπόθεση ατμών, επιταξία υγρής φάσης (LPE), επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) και χημική εναπόθεση ατμών (CVD). Μεταξύ αυτών, η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για ομογενή επιταξία 4H-SiC. Η επιταξία 4H-SiC CVD συνήθως χρησιμοποιεί εξοπλισμό CVD, ο οποίος διασφαλίζει τη συνέχεια της κρυσταλλικής δομής 4H-SiC υπό υψηλές θερμοκρασίες ανάπτυξης.
Στον εξοπλισμό CVD, το υπόστρωμα δεν μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας σε μεταλλική επιφάνεια ή απλώς σε βάση για επιταξιακή εναπόθεση, καθώς αυτό περιλαμβάνει διάφορους παράγοντες που επηρεάζουν, όπως η κατεύθυνση ροής αερίου (οριζόντια, κάθετη), η θερμοκρασία, η πίεση, η στερέωση και η μόλυνση από τα αποβαλλόμενα σωματίδια. Επομένως, απαιτείται μια βάση στήριξης. Το υπόστρωμα τοποθετείται σε ένα δίσκο και στη συνέχεια πραγματοποιείται επιταξιακή εναπόθεση στο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας τεχνολογία CVD. Αυτή η βάση στήριξης είναι μια βάση γραφίτη με επικάλυψη SiC.
Ως βασικό συστατικό, το υπόστρωμα γραφίτη διαθέτει υψηλή ειδική αντοχή και ειδικό μέτρο ελαστικότητας, καθώς και καλή αντοχή σε θερμικό σοκ και διάβρωση. Ωστόσο, κατά την παραγωγή, ο γραφίτης υπόκειται σε διάβρωση και αποβολή σκόνης λόγω διαβρωτικών αερίων και υπολειμματικών οργανομεταλλικών ενώσεων, μειώνοντας σημαντικά τη διάρκεια ζωής του υποστρώματος. Ταυτόχρονα, η αποβολή σκόνης γραφίτη μπορεί να μολύνει τα τσιπ. Στην παραγωγή επιταξιακών πλακιδίων καρβιδίου του πυριτίου, έχει γίνει ολοένα και πιο δύσκολο να ικανοποιηθούν οι ολοένα και αυστηρότερες απαιτήσεις για τα υλικά γραφίτη, περιορίζοντας σοβαρά την ανάπτυξη και την πρακτική εφαρμογή τους. Κατά συνέπεια,τεχνολογία επίστρωσηςέχει αναδειχθεί ως λύση.
Πλεονεκτήματα των επιστρώσεων SiC στη βιομηχανία ημιαγωγών
Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες των επιστρώσεων πρέπει να πληρούν αυστηρές απαιτήσεις για αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και διάβρωση, καθώς αυτές επηρεάζουν άμεσα την απόδοση και τη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Το υλικό SiC διαθέτει υψηλή αντοχή, υψηλή σκληρότητα, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, καθιστώντας το ένα κρίσιμο δομικό και ημιαγωγικό υλικό υψηλής θερμοκρασίας. Όταν εφαρμόζεται σε υποστρώματα γραφίτη, τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν:
1) Το SiC είναι ανθεκτικό στη διάβρωση και μπορεί να ενθυλακώσει πλήρως το υπόστρωμα γραφίτη. Η υψηλή πυκνότητά του αποτρέπει τις ζημιές από διαβρωτικά αέρια.
2) Το SiC έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα και ισχυρή συγκολλητική δύναμη με το υπόστρωμα γραφίτη, διασφαλίζοντας ότι η επίστρωση παραμένει άθικτη ακόμη και μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους υψηλής-χαμηλής θερμοκρασίας.
3) Το SiC διαθέτει εξαιρετική χημική σταθερότητα, αποτρέποντας την αστοχία της επικάλυψης σε ατμόσφαιρες υψηλής θερμοκρασίας και διαβρωτικής δράσης.
Επιπλέον, οι επιταξιακοί φούρνοι που κατασκευάζονται από διαφορετικά υλικά απαιτούν δίσκους γραφίτη με συγκεκριμένες προδιαγραφές απόδοσης. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του υλικού γραφίτη πρέπει να είναι συμβατός με τη θερμοκρασία ανάπτυξης του επιταξιακού φούρνου. Για παράδειγμα, επειδή η θερμοκρασία ανάπτυξης για την επιταξία καρβιδίου του πυριτίου είναι υψηλή, απαιτούνται δίσκοι με υψηλό βαθμό αντιστοίχισης του συντελεστή θερμικής διαστολής. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του SiC διαφέρει ελάχιστα από αυτόν του γραφίτη, καθιστώντας τον το προτιμώμενο υλικό για την επικάλυψη της επιφάνειας των υποστρωμάτων γραφίτη.
Το SiC υπάρχει σε πολλαπλές κρυσταλλικές μορφές, με τις πιο συνηθισμένες σήμερα να είναι οι τύποι 3C, 4H και 6H, καθένας από τους οποίους εξυπηρετεί διαφορετικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, το 4H-SiC χρησιμοποιείται για την κατασκευή συσκευών υψηλής ισχύος. Το 6H-SiC είναι το πιο σταθερό και χρησιμοποιείται για την κατασκευή οπτοηλεκτρονικών συσκευών. Και το 3C-SiC, λόγω της δομικής του ομοιότητας με το GaN, χρησιμοποιείται για την παραγωγή επιταξιακών στρωμάτων GaN για την κατασκευή συσκευών RF SiC-GaN. Το 3C-SiC αναφέρεται επίσης συνήθως ως β-SiC. Μια βασική εφαρμογή του β-SiC είναι ως υλικό λεπτής μεμβράνης και επικάλυψης. Κατά συνέπεια, το β-SiC είναι σήμερα το κύριο υλικό που χρησιμοποιείται για επικαλύψεις.
Ως κοινό αναλώσιμο υλικό στην παραγωγή ημιαγωγών, οι επιστρώσεις SiC χρησιμοποιούνται κυρίως σε διεργασίες όπως η προετοιμασία υποστρώματος, η επιταξία, η οξείδωση και η διάχυση, η χάραξη και η εμφύτευση ιόντων. Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες της επικάλυψης πρέπει να πληρούν αυστηρές απαιτήσεις για αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή στη διάβρωση, καθώς αυτές επηρεάζουν άμεσα την απόδοση και τη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Κατά συνέπεια, η προετοιμασία των επιστρώσεων SiC είναι κρίσιμη.
Διαδικασία για την παρασκευή επιστρώσεων καρβιδίου του πυριτίου
Επί του παρόντος, οι κύριες μέθοδοι για την παρασκευή επιστρώσεων SiC περιλαμβάνουν τη μέθοδο sol-gel, τη μέθοδο ενσωμάτωσης, την επίστρωση με βούρτσα, τον ψεκασμό πλάσματος, την χημική αντίδραση ατμών (CVR) και την χημική εναπόθεση ατμών (CVD).
Μέθοδος ενσωμάτωσης
Αυτή η μέθοδος είναι ένας τύπος πυροσυσσωμάτωσης στερεάς κατάστασης υψηλής θερμοκρασίας. Χρησιμοποιεί κυρίως ένα μείγμα σκόνης πυριτίου (Si) και σκόνης άνθρακα (C) ως σκόνη ενσωμάτωσης. Ένα υπόστρωμα γραφίτη τοποθετείται μέσα στη σκόνη ενσωμάτωσης και πυροσυσσωματώνεται σε υψηλές θερμοκρασίες σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου, σχηματίζοντας τελικά μια επίστρωση SiC στην επιφάνεια του υποστρώματος γραφίτη. Αυτή η μέθοδος χαρακτηρίζεται από μια απλή διαδικασία και καλή πρόσφυση μεταξύ της επίστρωσης και του υποστρώματος. Ωστόσο, η επίστρωση παρουσιάζει κακή ομοιομορφία κατά μήκος της κατεύθυνσης του πάχους και είναι επιρρεπής στην ανάπτυξη πολυάριθμων πόρων, με αποτέλεσμα κακή αντοχή στην οξείδωση.
Μέθοδος επίστρωσης με βούρτσα
Η μέθοδος επίστρωσης με βούρτσα περιλαμβάνει κυρίως την εφαρμογή υγρής πρώτης ύλης στην επιφάνεια του υποστρώματος γραφίτη, ακολουθούμενη από σκλήρυνση του υλικού σε συγκεκριμένη θερμοκρασία για τον σχηματισμό της επίστρωσης. Αυτή η μέθοδος είναι απλή και οικονομικά αποδοτική. Ωστόσο, η προκύπτουσα επίστρωση παρουσιάζει ασθενή πρόσφυση στο υπόστρωμα, κακή ομοιομορφία και είναι σχετικά λεπτή με χαμηλή αντοχή στην οξείδωση, γεγονός που καθιστά απαραίτητες συμπληρωματικές μεθόδους.
Μέθοδος ψεκασμού πλάσματος
Η μέθοδος ψεκασμού πλάσματος περιλαμβάνει τη χρήση ενός πιστολιού πλάσματος για τον ψεκασμό τηγμένης ή ημι-τηγμένης πρώτης ύλης στην επιφάνεια του υποστρώματος γραφίτη, η οποία στη συνέχεια στερεοποιείται και συνδέεται για να σχηματίσει μια επίστρωση. Αυτή η μέθοδος είναι απλή στη λειτουργία και μπορεί να παράγει σχετικά πυκνές επιστρώσεις καρβιδίου του πυριτίου. Ωστόσο, οι επιστρώσεις που προκύπτουν είναι συχνά πολύ λεπτές, οδηγώντας σε κακή αντοχή στην οξείδωση. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται γενικά στην παρασκευή σύνθετων επιστρώσεων SiC για τη βελτίωση της ποιότητας της επίστρωσης.
Μέθοδος Gel-Sol
Η μέθοδος gel-sol περιλαμβάνει κυρίως την παρασκευή ενός ομοιόμορφου, διαφανούς διαλύματος sol για την επικάλυψη της επιφάνειας του υποστρώματος. Αφού στεγνώσει σε ένα τζελ, το υλικό υποβάλλεται σε πυροσυσσωμάτωση για να σχηματιστεί η επικάλυψη. Αυτή η μέθοδος είναι απλή στη χρήση και σχετικά χαμηλού κόστους. Ωστόσο, οι επικαλύψεις που προκύπτουν παρουσιάζουν μειονεκτήματα όπως η χαμηλή αντοχή σε θερμικό σοκ και η τάση για ρωγμές, περιορίζοντας την ευρεία εφαρμογή τους.
Μέθοδος Χημικής Αντίδρασης Ατμών (CVR)
Το CVR χρησιμοποιεί κυρίως σκόνες Si και SiO₂ για την παραγωγή ατμών SiO₂ σε υψηλές θερμοκρασίες, πυροδοτώντας μια σειρά χημικών αντιδράσεων στην επιφάνεια του υποστρώματος Si για τον σχηματισμό μιας επίστρωσης SiC. Η επίστρωση SiC που παράγεται με αυτή τη μέθοδο προσκολλάται στενά στο υπόστρωμα. Ωστόσο, η θερμοκρασία αντίδρασης είναι υψηλή και το κόστος είναι επίσης σχετικά υψηλό.
Χημική εναπόθεση ατμών (CVD)
Η CVD είναι επί του παρόντος η κύρια τεχνολογία για την παρασκευή επιστρώσεων SiC σε επιφάνειες υποστρώματος. Η κύρια διαδικασία περιλαμβάνει μια σειρά φυσικοχημικών αντιδράσεων μεταξύ αερίων αντιδρώντων και της επιφάνειας του υποστρώματος, με τελικό αποτέλεσμα την εναπόθεση μιας επικάλυψης SiC. Οι επιστρώσεις SiC που παράγονται με την τεχνολογία CVD συνδέονται στενά με την επιφάνεια του υποστρώματος και μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά την αντοχή του υλικού του υποστρώματος στην οξείδωση και την αντοχή στην αφαίρεση. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος απαιτεί σχετικά μεγάλο χρόνο εναπόθεσης και τα αέρια αντίδρασης περιέχουν ορισμένα τοξικά συστατικά.
Τάσεις στις επιστρώσεις SiC
Οι επιστρώσεις SiC χρησιμοποιούνται κυρίως ως αναλώσιμα στην κατασκευή ημιαγωγών, με βασικές μετρήσεις απόδοσης όπως η ομοιομορφία της επίστρωσης, ο συντελεστής θερμικής διαστολής και η θερμική αγωγιμότητα. Ενώ υπάρχει σημαντική εγχώρια ζήτηση για επιστρώσεις SiC στην Κίνα, η τεχνολογία παραμένει ανώριμη. Στο εξωτερικό, μόνο μία αμερικανική εταιρεία δραστηριοποιείται σε αυτόν τον τομέα και τα προϊόντα της είναι σχετικά ακριβά.
Κρυστάλλινα σκάφηείναι αναλώσιμα που χρησιμοποιούνται στην επιταξιακή παραγωγή και μπορούν να αντικαταστήσουν τον γραφίτη με επικάλυψη SiC, αν και ο όγκος της αγοράς είναι μικρός. Στη συνέχεια, ο γραφίτης με επικάλυψη TaC, ο οποίος προσφέρει καλύτερη αντοχή στη χημική διάβρωση από τον γυμνό γραφίτη ή τον γραφίτη με επικάλυψη SiC, αλλά είναι απαγορευτικά ακριβός και βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης. Επί του παρόντος, εγχώριες εταιρείες όπως ηΗμιαγωγός Liufang, Σεμίκερα, καιΗμιαγωγοί Vetekασχολούνται με Ε&Α σε αυτόν τον τομέα.
Ώρα δημοσίευσης: 20 Μαΐου 2026