Una capa epitaxial es una película delgada monocristalina específica que se cultiva sobre un sustrato de oblea mediante un proceso epitaxial; tanto la oblea como la película epitaxial se denominan conjuntamente oblea epitaxial. Entre estos procesos, el cultivo de una capa epitaxial de carburo de silicio sobre un sustrato conductor de carburo de silicio produce una oblea epitaxial de carburo de silicio homogénea, que posteriormente puede transformarse en dispositivos de potencia como diodos Schottky, MOSFET e IGBT. El tipo de sustrato más utilizado es el de 4H-SiC.
Dado que prácticamente todos los dispositivos se fabrican sobre capas epitaxiales, la calidad de dicha capa influye significativamente en su rendimiento. Sin embargo, la calidad de la capa epitaxial se ve afectada por el procesamiento del cristal y del sustrato, lo que la sitúa en un punto crítico de la industria y le otorga un papel fundamental en su desarrollo.
Los métodos principales para preparar capas epitaxiales de carburo de silicio incluyen: deposición de vapor; epitaxia en fase líquida (LPE); epitaxia de haces moleculares (MBE); y deposición química de vapor (CVD). Entre estos, la deposición química de vapor (CVD) es el método más utilizado para la epitaxia homogénea de 4H-SiC. La epitaxia de 4H-SiC mediante CVD generalmente emplea equipos de CVD, lo que garantiza la continuidad de la estructura cristalina de 4H-SiC a altas temperaturas de crecimiento.
En los equipos de CVD, el sustrato no puede colocarse directamente sobre una superficie metálica ni simplemente sobre una base para la deposición epitaxial, ya que esto implica diversos factores como la dirección del flujo de gas (horizontal o vertical), la temperatura, la presión, la fijación y la contaminación por partículas desprendidas. Por lo tanto, se requiere una base de soporte; el sustrato se coloca sobre una bandeja y, posteriormente, se realiza la deposición epitaxial sobre el sustrato mediante la tecnología CVD. Esta base de soporte es de grafito recubierto de SiC.
Como componente principal, el sustrato de grafito presenta alta resistencia específica y módulo específico, así como buena resistencia al choque térmico y a la corrosión. Sin embargo, durante la producción, el grafito está sujeto a corrosión y desprendimiento de polvo debido a gases corrosivos y compuestos organometálicos residuales, lo que reduce significativamente la vida útil del sustrato. Al mismo tiempo, el polvo de grafito desprendido puede contaminar los chips. En la producción de obleas epitaxiales de carburo de silicio, se ha vuelto cada vez más difícil cumplir con los requisitos cada vez más estrictos para los materiales de grafito, lo que limita severamente su desarrollo y aplicación práctica. En consecuencia,tecnología de recubrimientoha surgido como una solución.
Ventajas de los recubrimientos de SiC en la industria de semiconductores
Las propiedades físicas y químicas de los recubrimientos deben cumplir con estrictos requisitos de resistencia a altas temperaturas y a la corrosión, ya que estos factores influyen directamente en el rendimiento y la vida útil del producto. El material SiC posee alta resistencia, alta dureza, un bajo coeficiente de dilatación térmica y una excelente conductividad térmica, lo que lo convierte en un material estructural y semiconductor crítico para altas temperaturas. Cuando se aplica a sustratos de grafito, sus ventajas incluyen:
1) El SiC es resistente a la corrosión y puede encapsular completamente el sustrato de grafito. Su alta densidad evita los daños causados por gases corrosivos.
2) El SiC tiene una alta conductividad térmica y una fuerte fuerza de unión con el sustrato de grafito, lo que garantiza que el recubrimiento permanezca intacto incluso después de repetidos ciclos de alta y baja temperatura.
3) El SiC posee una excelente estabilidad química, lo que evita que el recubrimiento falle en atmósferas corrosivas de alta temperatura.
Además, los hornos epitaxiales fabricados con distintos materiales requieren bandejas de grafito con especificaciones de rendimiento concretas. El coeficiente de dilatación térmica del grafito debe ser compatible con la temperatura de crecimiento del horno. Por ejemplo, dado que la temperatura de crecimiento para la epitaxia del carburo de silicio es elevada, se requieren bandejas con un coeficiente de dilatación térmica muy similar. El coeficiente de dilatación térmica del SiC difiere muy poco del del grafito, lo que lo convierte en el material preferido para recubrir la superficie de los sustratos de grafito.
El SiC existe en múltiples formas cristalinas, siendo las más comunes actualmente los tipos 3C, 4H y 6H, cada una con diferentes aplicaciones. Por ejemplo, el 4H-SiC se utiliza para fabricar dispositivos de alta potencia; el 6H-SiC es el más estable y se utiliza para fabricar dispositivos optoelectrónicos; y el 3C-SiC, debido a su similitud estructural con el GaN, se utiliza para producir capas epitaxiales de GaN para la fabricación de dispositivos de RF de SiC-GaN. El 3C-SiC también se conoce comúnmente como β-SiC. Una aplicación clave del β-SiC es como material de recubrimiento y película delgada; por consiguiente, el β-SiC es actualmente el material principal utilizado para recubrimientos.
Como consumible común en la producción de semiconductores, los recubrimientos de SiC se utilizan principalmente en procesos como la preparación de sustratos, la epitaxia, la oxidación y difusión, el grabado y la implantación iónica. Las propiedades físicas y químicas del recubrimiento deben cumplir con estrictos requisitos de resistencia a altas temperaturas y a la corrosión, ya que estos factores influyen directamente en el rendimiento y la vida útil del producto. Por consiguiente, la preparación de los recubrimientos de SiC es fundamental.
Proceso para la preparación de recubrimientos de carburo de silicio
Actualmente, los principales métodos para preparar recubrimientos de SiC incluyen el método sol-gel, el método de incrustación, el recubrimiento con brocha, la pulverización de plasma, la reacción química en fase vapor (CVR) y la deposición química en fase vapor (CVD).
Método de incrustación
Este método es un tipo de sinterización en estado sólido a alta temperatura. Utiliza principalmente una mezcla de polvo de silicio (Si) y polvo de carbono (C) como material de recubrimiento. Un sustrato de grafito se coloca dentro del material de recubrimiento y se sinteriza a altas temperaturas en una atmósfera de gas inerte, formando finalmente un recubrimiento de SiC sobre la superficie del sustrato de grafito. Este método se caracteriza por un proceso sencillo y una buena adhesión entre el recubrimiento y el sustrato; sin embargo, el recubrimiento presenta una uniformidad deficiente en la dirección del espesor y es propenso a desarrollar numerosos poros, lo que resulta en una baja resistencia a la oxidación.
Método de recubrimiento con brocha
El método de recubrimiento con brocha consiste principalmente en aplicar materia prima líquida sobre la superficie del sustrato de grafito, seguida de un curado a una temperatura específica para formar el recubrimiento. Este método es sencillo y económico; sin embargo, el recubrimiento resultante presenta una baja adherencia al sustrato, poca uniformidad y es relativamente delgado, con baja resistencia a la oxidación, lo que requiere métodos complementarios.
Método de pulverización de plasma
El método de proyección por plasma consiste en utilizar una pistola de plasma para pulverizar materia prima fundida o semifundida sobre la superficie del sustrato de grafito, que posteriormente se solidifica y se adhiere para formar un recubrimiento. Este método es sencillo de aplicar y permite obtener recubrimientos de carburo de silicio relativamente densos; sin embargo, los recubrimientos resultantes suelen ser demasiado delgados, lo que conlleva una baja resistencia a la oxidación. Por lo tanto, se utiliza generalmente en la preparación de recubrimientos compuestos de SiC para mejorar la calidad del recubrimiento.
Método Gel-Sol
El método gel-sol consiste principalmente en preparar una solución de sol uniforme y transparente para recubrir la superficie del sustrato. Tras secarse y convertirse en gel, el material se sinteriza para formar el recubrimiento. Este método es sencillo y relativamente económico; sin embargo, los recubrimientos resultantes presentan inconvenientes como baja resistencia al choque térmico y tendencia a agrietarse, lo que limita su aplicación generalizada.
Método de reacción química en fase vapor (CVR)
La tecnología CVR utiliza principalmente polvos de Si y SiO₂ para generar vapor de SiO₂ a altas temperaturas, lo que desencadena una serie de reacciones químicas en la superficie del sustrato de Si para formar un recubrimiento de SiC. El recubrimiento de SiC producido mediante este método se adhiere firmemente al sustrato; sin embargo, la temperatura de reacción es alta y el costo también es relativamente elevado.
Deposición química en fase vapor (CVD)
Actualmente, la deposición química en fase vapor (CVD) es la tecnología principal para la preparación de recubrimientos de SiC sobre superficies de sustrato. El proceso principal consiste en una serie de reacciones fisicoquímicas entre reactivos gaseosos y la superficie del sustrato, que culminan en la deposición de un recubrimiento de SiC. Los recubrimientos de SiC producidos mediante la tecnología CVD se adhieren firmemente a la superficie del sustrato y pueden mejorar eficazmente su resistencia a la oxidación y a la ablación; sin embargo, este método requiere un tiempo de deposición relativamente prolongado y los gases de reacción contienen ciertos componentes tóxicos.
Tendencias en recubrimientos de SiC
Los recubrimientos de SiC se utilizan principalmente como consumibles en la fabricación de semiconductores, y entre sus parámetros clave de rendimiento se incluyen la uniformidad del recubrimiento, el coeficiente de dilatación térmica y la conductividad térmica. Si bien existe una importante demanda interna de recubrimientos de SiC en China, la tecnología aún se encuentra en fase incipiente. En el extranjero, solo una empresa estadounidense opera en este sector, y sus productos son relativamente caros.
barcos de cristalson consumibles utilizados en la producción epitaxial que pueden reemplazar el grafito recubierto de SiC, aunque el volumen de mercado es pequeño. A continuación está el grafito recubierto de TaC, que ofrece una mejor resistencia a la corrosión química que el grafito desnudo o el grafito recubierto de SiC, pero es prohibitivamente caro y todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. Actualmente, empresas nacionales comoSemiconductor Liufang, Semicera, yVetek SemiconductorEstán involucrados en la investigación y el desarrollo en esta área.
Fecha de publicación: 20 de mayo de 2026