Epitaksiaalkiht on spetsiifiline ühekristalliline õhuke kile, mis kasvatatakse epitaksiaalse protsessi abil vahvli aluspinnale; aluspinna vahvlit ja epitaksiaalkilet nimetatakse ühiselt epitaksiaalseks vahvliks. Nende hulgas annab ränikarbiidist epitaksiaalkihi kasvatamine juhtivale ränikarbiidist aluspinnale homogeense ränikarbiidist epitaksiaalvahvli, millest saab edasi valmistada võimsusseadmeid, nagu Schottky dioodid, MOSFETid ja IGBT-d. Kõige laialdasemalt kasutatav aluspinna tüüp on 4H-SiC aluspind.
Kuna praktiliselt kõik seadmed on valmistatud epitaksiaalkihtidest, on epitaksiaalkihi kvaliteedil oluline mõju seadme jõudlusele. Epitaksiaalkihi kvaliteeti mõjutab aga kristalli ja aluspinna töötlemine, mis asetab selle tööstuses kriitilisse punkti ja mängib selle arendamisel keskset rolli.
Ränikarbiidi epitaksiaalsete kihtide valmistamise peamised meetodid on: aurustamine, vedelfaasiepitaksia (LPE), molekulaarkiirepitaksia (MBE) ja keemiline aurustamine (CVD). Nende hulgas on keemiline aurustamine (CVD) kõige laialdasemalt kasutatav meetod 4H-SiC homogeense epitaksia jaoks. 4H-SiC CVD-epitaksia kasutab tavaliselt CVD-seadmeid, mis tagavad 4H-SiC kristallstruktuuri järjepidevuse kõrgetel kasvutemperatuuridel.
CVD-seadmetes ei saa substraati epitaksiaalse sadestamise jaoks otse metallpinnale asetada ega lihtsalt alusele asetada, kuna see hõlmab mitmesuguseid mõjutegureid, nagu gaasivoolu suund (horisontaalne, vertikaalne), temperatuur, rõhk, fikseerimine ja eralduvate osakeste tekitatud saastumine. Seetõttu on vaja tugialust; substraat asetatakse alusele ja seejärel teostatakse substraadile epitaksiaalne sadestamine CVD-tehnoloogia abil. See tugialus on SiC-kattega grafiidist alus.
Südamikukomponendina on grafiidist aluspinnal kõrge eritugevus ja erimoodul, samuti hea termiline löögikindlus ja korrosioonikindlus. Tootmise ajal on grafiit aga korrosiooni ja pulbri eraldumise suhtes vastuvõtlik söövitavate gaaside ja jääk-orgaaniliste ühendite tõttu, mis vähendab oluliselt aluspinna kasutusiga. Samal ajal võib eraldunud grafiidipulber saastata kiipe. Ränikarbiidist epitaksiaalsete vahvlite tootmisel on üha raskem täita grafiitmaterjalidele esitatavaid üha rangemaid nõudeid, mis piirab oluliselt nende arendamist ja praktilist rakendamist. Sellest tulenevalt,katmistehnoloogiaon lahendusena esile kerkinud.
SiC-katete eelised pooljuhtide tööstuses
Katete füüsikalised ja keemilised omadused peavad vastama rangetele kõrge temperatuuri ja korrosioonikindluse nõuetele, kuna need mõjutavad otseselt toote saagist ja eluiga. SiC-materjalil on kõrge tugevus, kõrge kõvadus, madal soojuspaisumistegur ja suurepärane soojusjuhtivus, mis teeb sellest kriitilise tähtsusega kõrge temperatuuriga konstruktsiooni- ja pooljuhtmaterjali. Grafiitpindadele kandmisel on selle eelised järgmised:
1) SiC on korrosioonikindel ja suudab grafiidist aluspinna täielikult kapseldada. Selle suur tihedus hoiab ära söövitavate gaaside tekitatud kahjustused.
2) SiC-l on kõrge soojusjuhtivus ja tugev nakkuvus grafiidi aluspinnaga, tagades katte terviklikkuse isegi pärast korduvaid kõrge-madala temperatuuri tsükleid.
3) SiC-l on suurepärane keemiline stabiilsus, mis hoiab ära katte purunemise kõrgel temperatuuril ja söövitavas atmosfääris.
Lisaks vajavad erinevatest materjalidest epitaksiaalahjud spetsiifiliste jõudlusspetsifikatsioonidega grafiitplaate. Grafiidimaterjali soojuspaisumistegur peab olema ühilduv epitaksiaalahju kasvutemperatuuriga. Näiteks kuna ränikarbiidi epitaksial on kõrge kasvutemperatuur, on vaja plaate, millel on kõrge soojuspaisumistegur. SiC soojuspaisumistegur erineb grafiidi omast väga vähe, mistõttu on see eelistatud materjal grafiidist aluspindade katmiseks.
SiC esineb mitmes kristallvormis, millest kõige levinumad on praegu 3C, 4H ja 6H tüübid, millel kõigil on erinevad rakendused. Näiteks 4H-SiC-d kasutatakse suure võimsusega seadmete valmistamiseks; 6H-SiC on kõige stabiilsem ja seda kasutatakse optoelektrooniliste seadmete valmistamiseks; ja 3C-SiC-d kasutatakse oma struktuurilise sarnasuse tõttu GaN-iga GaN epitaksiaalsete kihtide valmistamiseks SiC-GaN raadiosagedusseadmete valmistamiseks. 3C-SiC-d nimetatakse ka β-SiC-ks. β-SiC peamine rakendusala on õhukese kile ja kattematerjalina; seetõttu on β-SiC praegu peamine katete jaoks kasutatav materjal.
Pooljuhtide tootmises tavalise tarbematerjalina kasutatakse SiC-katteid peamiselt sellistes protsessides nagu substraadi ettevalmistamine, epitaksia, oksüdeerimine ja difusioon, söövitamine ning ioonide implanteerimine. Katte füüsikalised ja keemilised omadused peavad vastama rangetele kõrge temperatuuri ja korrosioonikindluse nõuetele, kuna need mõjutavad otseselt toote saagist ja eluiga. Seetõttu on SiC-katete ettevalmistamine kriitilise tähtsusega.
Ränikarbiidkattekihtide valmistamise protsess
Praegu on SiC-katete valmistamise peamised meetodid sool-geelmeetod, manustamismeetod, pintsliga katmine, plasmapihustamine, keemiline aurureaktsioon (CVR) ja keemiline aurustamine-sadestamine (CVD).
Manustamismeetod
See meetod on kõrgtemperatuurse tahkispaagutamise tüüp. See kasutab peamiselt räni (Si) pulbri ja süsiniku (C) pulbri segu sissevalamispulbrina. Grafiidist aluspind asetatakse sissevalamispulbri sisse ja paagutatakse kõrgel temperatuuril inertgaasi atmosfääris, moodustades lõpuks grafiidist aluspinna pinnale SiC-katte. Seda meetodit iseloomustab lihtne protsess ja hea nakkuvus katte ja aluspinna vahel; kattekiht on aga paksuse suunas halvasti ühtlane ja kaldub arvukate pooride tekkesse, mille tulemuseks on halb oksüdatsioonikindlus.
Pintsliga katmise meetod
Pintsliga katmise meetod hõlmab peamiselt vedela tooraine pealekandmist grafiidi aluspinnale, millele järgneb materjali kõvendamine kindlal temperatuuril katte moodustamiseks. See meetod on lihtne ja kulutõhus; saadud kate on aga nõrgalt nakkuv aluspinnaga, ebaühtlane ning suhteliselt õhuke ja madala oksüdatsioonikindlusega, mis nõuab täiendavaid meetodeid.
Plasma pihustamise meetod
Plasmapihustusmeetod hõlmab plasmapüstoli kasutamist sula või poolsula tooraine pihustamiseks grafiidi aluspinnale, mis seejärel tahkestub ja seondub, moodustades katte. See meetod on lihtne kasutada ja võimaldab toota suhteliselt tihedaid ränikarbiidkatteid; saadud katted on aga sageli liiga õhukesed, mis viib halva oksüdatsioonikindluseni. Seetõttu kasutatakse seda üldiselt SiC-komposiitkattekihtide valmistamisel kattekihi kvaliteedi parandamiseks.
Geel-Sol meetod
Geel-sooli meetod hõlmab peamiselt ühtlase ja läbipaistva soolilahuse valmistamist aluspinna katmiseks. Pärast geeliks kuivatamist paagutatakse materjal katte moodustamiseks. See meetod on lihtne kasutada ja suhteliselt odav; saadud katetel on aga puudusi, nagu madal termiline löögikindlus ja kalduvus praguneda, mis piirab nende laialdast kasutamist.
Keemilise aurureaktsiooni (CVR) meetod
CVR kasutab peamiselt Si ja SiO₂ pulbreid SiO₂ auru tekitamiseks kõrgel temperatuuril, käivitades Si-substraadi pinnal rea keemilisi reaktsioone, moodustades SiC-katte. Selle meetodi abil toodetud SiC-kate seondub tihedalt substraadiga; reaktsioonitemperatuur on aga kõrge ja hind on samuti suhteliselt kõrge.
Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD)
CVD on praegu peamine tehnoloogia SiC-katete valmistamiseks aluspinnale. Peamine protsess hõlmab rea füüsikalis-keemilisi reaktsioone gaasiliste reagentide ja aluspinna vahel, mille tulemuseks on SiC-katte sadestamine. CVD-tehnoloogia abil toodetud SiC-katted seonduvad tihedalt aluspinnaga ja võivad tõhusalt parandada alusmaterjali oksüdatsioonikindlust ja ablatsioonikindlust; see meetod nõuab aga suhteliselt pikka sadestamisaega ja reaktsioonigaasid sisaldavad teatud toksilisi komponente.
SiC-katete trendid
SiC-katteid kasutatakse peamiselt pooljuhtide tootmisel tarbekaupadena, mille peamisteks toimivusnäitajateks on katte ühtlus, soojuspaisumistegur ja soojusjuhtivus. Kuigi Hiinas on SiC-katete järele märkimisväärne sisenõudlus, on tehnoloogia endiselt ebaküps. Välismaal tegutseb selles valdkonnas ainult üks USA ettevõte ja selle tooted on suhteliselt kallid.
Kristallpaadidon epitaksiaalses tootmises kasutatavad kulumaterjalid, mis võivad asendada SiC-kattega grafiiti, kuigi turumaht on väike. Järgmisena on TaC-kattega grafiit, mis pakub paremat keemilise korrosioonikindlust kui paljas grafiit või SiC-kattega grafiit, kuid see on liiga kallis ja alles arengu algstaadiumis. Praegu on kodumaised ettevõtted, näiteksLiufang pooljuht, SemicerajaVetek Semiconductortegelevad selle valdkonna teadus- ja arendustegevusega.
Postituse aeg: 20. mai 2026