یک لایه اپیتاکسیال، یک لایه نازک تک کریستالی خاص است که از طریق فرآیند اپیتاکسیال بر روی یک زیرلایه ویفر رشد داده می‌شود؛ ویفر زیرلایه و فیلم اپیتاکسیال در مجموع به عنوان ویفر اپیتاکسیال شناخته می‌شوند. در میان این موارد، رشد یک لایه اپیتاکسیال کاربید سیلیکون بر روی یک زیرلایه کاربید سیلیکون رسانا، یک ویفر اپیتاکسیال کاربید سیلیکون همگن تولید می‌کند که می‌تواند در دستگاه‌های قدرت مانند دیودهای شاتکی، MOSFETها و IGBTها بیشتر ساخته شود. پرکاربردترین نوع زیرلایه، زیرلایه 4H-SiC است.
از آنجایی که تقریباً همه دستگاه‌ها بر روی لایه‌های اپیتاکسیال ساخته می‌شوند، کیفیت لایه اپیتاکسیال تأثیر قابل توجهی بر عملکرد دستگاه دارد. با این حال، کیفیت لایه اپیتاکسیال تحت تأثیر پردازش کریستال و زیرلایه قرار می‌گیرد و آن را در یک نقطه عطف مهم در صنعت قرار می‌دهد و نقش محوری در توسعه آن ایفا می‌کند.
روش‌های اصلی برای تهیه لایه‌های اپیتاکسیال کاربید سیلیکون شامل موارد زیر است: رسوب بخار؛ اپیتاکسی فاز مایع (LPE)؛ اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)؛ و رسوب بخار شیمیایی (CVD). در میان این روش‌ها، رسوب بخار شیمیایی (CVD) پرکاربردترین روش برای اپیتاکسی همگن 4H-SiC است. اپیتاکسی CVD 4H-SiC معمولاً از تجهیزات CVD استفاده می‌کند که تداوم ساختار کریستالی 4H-SiC را در دماهای رشد بالا تضمین می‌کند.
در تجهیزات CVD، زیرلایه را نمی‌توان مستقیماً روی سطح فلز قرار داد یا به سادگی برای رسوب‌دهی اپیتاکسیال روی یک پایه قرار داد، زیرا این امر شامل عوامل تأثیرگذار مختلفی مانند جهت جریان گاز (افقی، عمودی)، دما، فشار، تثبیت و آلودگی ناشی از ذرات در حال ریزش است. بنابراین، یک پایه نگهدارنده مورد نیاز است؛ زیرلایه روی یک سینی قرار می‌گیرد و سپس رسوب‌دهی اپیتاکسیال با استفاده از فناوری CVD روی زیرلایه انجام می‌شود. این پایه نگهدارنده، یک پایه گرافیتی با پوشش SiC است.
به عنوان یک جزء اصلی، زیرلایه گرافیتی دارای استحکام ویژه و مدول ویژه بالا و همچنین مقاومت خوب در برابر شوک حرارتی و خوردگی است. با این حال، در طول تولید، گرافیت به دلیل گازهای خورنده و ترکیبات آلی فلزی باقیمانده، در معرض خوردگی و ریزش پودر قرار می‌گیرد و عمر مفید زیرلایه را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. در عین حال، پودر گرافیت ریزش کرده می‌تواند تراشه‌ها را آلوده کند. در تولید ویفرهای اپیتاکسیال کاربید سیلیکون، برآورده کردن الزامات سختگیرانه‌تر برای مواد گرافیتی به طور فزاینده‌ای دشوار شده است و توسعه و کاربرد عملی آنها را به شدت محدود می‌کند. در نتیجه،فناوری پوششبه عنوان یک راه حل مطرح شده است.
مزایای پوشش‌های SiC در صنعت نیمه‌هادی
خواص فیزیکی و شیمیایی پوشش‌ها باید الزامات سختگیرانه‌ای را برای مقاومت در برابر دمای بالا و خوردگی برآورده کنند، زیرا این موارد مستقیماً بر عملکرد و طول عمر محصول تأثیر می‌گذارند. ماده SiC دارای استحکام بالا، سختی بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین و رسانایی حرارتی عالی است که آن را به یک ماده ساختاری و نیمه‌هادی حیاتی در دمای بالا تبدیل می‌کند. هنگامی که روی زیرلایه‌های گرافیتی اعمال می‌شود، مزایای آن عبارتند از:
۱) SiC در برابر خوردگی مقاوم است و می‌تواند زیرلایه گرافیتی را به طور کامل در بر بگیرد. چگالی بالای آن از آسیب ناشی از گازهای خورنده جلوگیری می‌کند.
۲) SiC رسانایی حرارتی بالا و استحکام پیوند قوی با زیرلایه گرافیتی دارد و تضمین می‌کند که پوشش حتی پس از چرخه‌های مکرر دمای بالا-پایین، دست نخورده باقی بماند.
۳) SiC پایداری شیمیایی عالی دارد و از خرابی پوشش در اتمسفرهای خورنده و دمای بالا جلوگیری می‌کند.
علاوه بر این، کوره‌های اپیتاکسیال ساخته شده از مواد مختلف به سینی‌های گرافیتی با مشخصات عملکردی خاص نیاز دارند. ضریب انبساط حرارتی ماده گرافیتی باید با دمای رشد کوره اپیتاکسیال سازگار باشد. به عنوان مثال، از آنجایی که دمای رشد برای اپیتاکسی سیلیکون کاربید بالا است، سینی‌هایی با درجه بالایی از تطابق ضریب انبساط حرارتی مورد نیاز است. ضریب انبساط حرارتی SiC تفاوت بسیار کمی با گرافیت دارد، و آن را به ماده‌ای ترجیحی برای پوشش سطح زیرلایه‌های گرافیتی تبدیل می‌کند.
SiC در اشکال کریستالی متعددی وجود دارد که رایج‌ترین آنها در حال حاضر انواع 3C، 4H و 6H هستند که هر کدام کاربردهای مختلفی دارند. به عنوان مثال، 4H-SiC برای ساخت دستگاه‌های پرقدرت استفاده می‌شود؛ 6H-SiC پایدارترین است و برای ساخت دستگاه‌های اپتوالکترونیکی استفاده می‌شود؛ و 3C-SiC، به دلیل شباهت ساختاری آن به GaN، برای تولید لایه‌های اپیتکسیال GaN برای ساخت دستگاه‌های RF SiC-GaN استفاده می‌شود. 3C-SiC همچنین معمولاً به عنوان β-SiC شناخته می‌شود. یکی از کاربردهای کلیدی β-SiC به عنوان یک ماده لایه نازک و پوشش است. در نتیجه، β-SiC در حال حاضر ماده اصلی مورد استفاده برای پوشش‌ها است.
پوشش‌های SiC به عنوان یک ماده مصرفی رایج در تولید نیمه‌رساناها، عمدتاً در فرآیندهایی مانند آماده‌سازی زیرلایه، اپیتاکسی، اکسیداسیون و انتشار، اچینگ و کاشت یون استفاده می‌شوند. خواص فیزیکی و شیمیایی پوشش باید الزامات سختگیرانه‌ای را برای مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی برآورده کند، زیرا این موارد مستقیماً بر بازده و طول عمر محصول تأثیر می‌گذارند. در نتیجه، آماده‌سازی پوشش‌های SiC بسیار مهم است.
فرآیند تهیه پوشش‌های کاربید سیلیکون
در حال حاضر، روش‌های اصلی برای تهیه پوشش‌های SiC شامل روش سل-ژل، روش تعبیه، پوشش‌دهی با قلم‌مو، پاشش پلاسما، واکنش بخار شیمیایی (CVR) و رسوب بخار شیمیایی (CVD) است.
روش جاسازی
این روش نوعی زینترینگ حالت جامد در دمای بالا است. در این روش عمدتاً از مخلوطی از پودر سیلیکون (Si) و پودر کربن (C) به عنوان پودر جاسازی استفاده می‌شود. یک زیرلایه گرافیتی درون پودر جاسازی قرار می‌گیرد و در دمای بالا در جو گاز بی‌اثر زینتر می‌شود و در نهایت یک پوشش SiC روی سطح زیرلایه گرافیتی تشکیل می‌شود. این روش دارای یک فرآیند ساده و چسبندگی خوب بین پوشش و زیرلایه است. با این حال، پوشش در جهت ضخامت یکنواختی ضعیفی دارد و مستعد ایجاد منافذ متعدد است که منجر به مقاومت در برابر اکسیداسیون ضعیف می‌شود.
روش پوشش‌دهی با قلم‌مو
روش پوشش‌دهی با قلم‌مو در درجه اول شامل اعمال ماده خام مایع به سطح زیرلایه گرافیتی و به دنبال آن پخت ماده در دمای خاص برای تشکیل پوشش است. این روش ساده و مقرون به صرفه است. با این حال، پوشش حاصل چسبندگی ضعیفی به زیرلایه، یکنواختی ضعیف و نسبتاً نازک با مقاومت اکسیداسیون پایین دارد که نیاز به روش‌های تکمیلی دارد.
روش پاشش پلاسما
روش پاشش پلاسما شامل استفاده از یک تفنگ پلاسما برای پاشش مواد خام مذاب یا نیمه مذاب بر روی سطح زیرلایه گرافیتی است که سپس جامد شده و به هم متصل می‌شود تا یک پوشش تشکیل دهد. این روش به سادگی قابل اجرا است و می‌تواند پوشش‌های کاربید سیلیکون نسبتاً متراکمی تولید کند. با این حال، پوشش‌های حاصل اغلب بسیار نازک هستند که منجر به مقاومت در برابر اکسیداسیون ضعیف می‌شود. بنابراین، معمولاً در تهیه پوشش‌های کامپوزیتی SiC برای بهبود کیفیت پوشش استفاده می‌شود.
روش ژل-سل
روش ژل-سل در درجه اول شامل تهیه یک محلول سل یکنواخت و شفاف برای پوشش سطح زیرلایه است. پس از خشک شدن و تبدیل به ژل، ماده برای تشکیل پوشش، تف جوشی می‌شود. این روش ساده و نسبتاً کم‌هزینه است؛ با این حال، پوشش‌های حاصل از معایبی مانند مقاومت کم در برابر شوک حرارتی و تمایل به ترک خوردن رنج می‌برند که کاربرد گسترده آنها را محدود می‌کند.
روش واکنش بخار شیمیایی (CVR)
CVR در درجه اول از پودرهای Si و SiO₂ برای تولید بخار SiO₂ در دماهای بالا استفاده می‌کند و باعث ایجاد یک سری واکنش‌های شیمیایی روی سطح زیرلایه Si می‌شود تا یک پوشش SiC تشکیل شود. پوشش SiC تولید شده با این روش محکم به زیرلایه متصل می‌شود. با این حال، دمای واکنش بالا است و هزینه آن نیز نسبتاً زیاد است.
رسوب بخار شیمیایی (CVD)
در حال حاضر، CVD فناوری اصلی برای تهیه پوشش‌های SiC روی سطوح زیرلایه است. فرآیند اصلی شامل مجموعه‌ای از واکنش‌های فیزیکوشیمیایی بین واکنش‌دهنده‌های گازی و سطح زیرلایه است که در نهایت منجر به رسوب پوشش SiC می‌شود. پوشش‌های SiC تولید شده توسط فناوری CVD محکم به سطح زیرلایه متصل می‌شوند و می‌توانند به طور مؤثر مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر فرسایش ماده زیرلایه را بهبود بخشند. با این حال، این روش به زمان رسوب‌گذاری نسبتاً طولانی نیاز دارد و گازهای واکنش حاوی اجزای سمی خاصی هستند.
روندهای پوشش‌های SiC
پوشش‌های SiC عمدتاً به عنوان مواد مصرفی در تولید نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شوند و معیارهای کلیدی عملکرد آنها شامل یکنواختی پوشش، ضریب انبساط حرارتی و رسانایی حرارتی است. در حالی که تقاضای داخلی قابل توجهی برای پوشش‌های SiC در چین وجود دارد، این فناوری هنوز نابالغ است. در خارج از کشور، تنها یک شرکت آمریکایی در این زمینه فعالیت می‌کند و محصولات آن نسبتاً گران هستند.
قایق‌های کریستالیمواد مصرفی مورد استفاده در تولید اپیتاکسیال هستند که می‌توانند جایگزین گرافیت روکش‌شده با SiC شوند، اگرچه حجم بازار آنها کم است. مورد بعدی گرافیت روکش‌شده با TaC است که مقاومت به خوردگی شیمیایی بهتری نسبت به گرافیت بدون روکش یا گرافیت روکش‌شده با SiC ارائه می‌دهد، اما بسیار گران است و هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. در حال حاضر، شرکت‌های داخلی مانندنیمه هادی لیوفانگ, سمیسرا، ونیمه‌هادی وتکدر این حوزه مشغول تحقیق و توسعه هستند.
زمان ارسال: ۲۰ مه ۲۰۲۶