Epitaksiaalikerros on erityinen yksikiteinen ohutkalvo, joka kasvatetaan kiekkosubstraatille epitaksiaaliprosessilla; substraattikiekkoa ja epitaksiaalikalvoa kutsutaan yhteisesti epitaksiaalikiekoksi. Näistä piikarbidiepitaksiaalikerroksen kasvattaminen johtavalle piikarbidisubstraatille tuottaa homogeenisen piikarbidiepitaksiaalikiekon, josta voidaan edelleen valmistaa teholaitteita, kuten Schottky-diodeja, MOSFET-transistoreja ja IGBT-transistoreita. Yleisimmin käytetty substraattityyppi on 4H-SiC-substraatti.
Koska käytännössä kaikki laitteet valmistetaan epitaksiaalikerroksille, epitaksiaalikerroksen laadulla on merkittävä vaikutus laitteen suorituskykyyn. Epitaksiaalikerroksen laatuun vaikuttavat kuitenkin kiteen ja substraatin käsittely, mikä asettaa sen kriittiseen vaiheeseen teollisuudessa ja sillä on keskeinen rooli sen kehityksessä.
Piikarbidiepitaksiaalikerrosten valmistuksen ensisijaisia menetelmiä ovat: höyrypinnoitus, nestefaasiepitaksi (LPE), molekyylisuihkuepitaksi (MBE) ja kemiallinen höyrypinnoitus (CVD). Näistä kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) on yleisimmin käytetty menetelmä 4H-SiC:n homogeeniseen epitaksiaan. 4H-SiC CVD -epitaksiassa käytetään tyypillisesti CVD-laitteita, jotka varmistavat 4H-SiC-kiderakenteen jatkuvuuden korkeissa kasvulämpötiloissa.
CVD-laitteissa substraattia ei voida asettaa suoraan metallipinnalle tai yksinkertaisesti alustalle epitaksiaalista pinnoitusta varten, koska tähän liittyy useita vaikuttavia tekijöitä, kuten kaasun virtaussuunta (vaakasuora, pystysuora), lämpötila, paine, kiinnitys ja irtoavien hiukkasten aiheuttama kontaminaatio. Siksi tarvitaan tukialusta; substraatti asetetaan tarjottimelle, ja epitaksiaalinen pinnoitus suoritetaan sitten substraatille CVD-tekniikkaa käyttäen. Tämä tukialusta on piikarbidilla päällystetty grafiittialusta.
Ydinkomponenttina grafiittisubstraatilla on korkea ominaislujuus ja ominaismoduuli sekä hyvä lämpöshokin ja korroosion kestävyys. Tuotannon aikana grafiitti on kuitenkin alttiina korroosiolle ja jauheen irtoamiselle syövyttävien kaasujen ja jäännösorganometalliyhdisteiden vuoksi, mikä lyhentää merkittävästi substraatin käyttöikää. Samalla irronnut grafiittijauhe voi saastuttaa sirut. Piikarbidiepitaksiaalisten kiekkojen tuotannossa on tullut yhä vaikeammaksi täyttää grafiittimateriaaleille asetetut yhä tiukemmat vaatimukset, mikä on vakavasti rajoittanut niiden kehitystä ja käytännön soveltamista. Tämän seurauksena,pinnoitustekniikkaon noussut esiin ratkaisuna.
SiC-pinnoitteiden edut puolijohdeteollisuudessa
Pinnoitteiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien on täytettävä tiukat korkeiden lämpötilojen ja korroosionkestävyyden vaatimukset, koska nämä vaikuttavat suoraan tuotteen saantoon ja käyttöikään. Piikarbidimateriaalilla on korkea lujuus, korkea kovuus, alhainen lämpölaajenemiskerroin ja erinomainen lämmönjohtavuus, mikä tekee siitä kriittisen korkean lämpötilan rakenne- ja puolijohdemateriaalin. Grafiittialustoille levitettynä sen etuja ovat:
1) Piikarbidi (SiC) on korroosionkestävää ja voi kapseloida grafiittialustan kokonaan. Sen suuri tiheys estää syövyttävien kaasujen aiheuttamat vauriot.
2) Piikarbidilla on korkea lämmönjohtavuus ja vahva sitoutumislujuus grafiittisubstraattiin, mikä varmistaa, että pinnoite pysyy ehjänä myös toistuvien korkean ja matalan lämpötilan syklien jälkeen.
3) Piikarbidilla on erinomainen kemiallinen stabiilius, joka estää pinnoitteen pettämisen korkeissa lämpötiloissa ja syövyttävissä ympäristöissä.
Lisäksi eri materiaaleista valmistetut epitaksiaaliuunit vaativat grafiittialustoja, joilla on erityiset suorituskykyvaatimukset. Grafiittimateriaalin lämpölaajenemiskertoimen on oltava yhteensopiva epitaksiaaliuunin kasvulämpötilan kanssa. Esimerkiksi koska piikarbidiepitaksian kasvulämpötila on korkea, tarvitaan alustoja, joilla on korkea lämpölaajenemiskertoimen vastaavuus. Piikarbidin lämpölaajenemiskerroin eroaa hyvin vähän grafiitin lämpölaajenemiskertoimesta, mikä tekee siitä ensisijaisen materiaalin grafiittialustojen pinnan pinnoittamiseen.
Piikarbidi (SiC) esiintyy useissa kidemuodoissa, joista yleisimmät ovat tällä hetkellä 3C-, 4H- ja 6H-tyypit, joilla kullakin on omat käyttötarkoituksensa. Esimerkiksi 4H-SiC:tä käytetään suurteholaitteiden valmistukseen; 6H-SiC on stabiilin ja sitä käytetään optoelektronisten laitteiden valmistukseen; ja 3C-SiC:tä käytetään rakenteellisen samankaltaisuutensa vuoksi GaN:n kanssa GaN-epitaksiaalikerrosten valmistukseen SiC-GaN RF -laitteiden valmistukseen. 3C-SiC:tä kutsutaan yleisesti myös nimellä β-SiC. Yksi β-SiC:n keskeisistä sovelluksista on sen käyttö ohutkalvo- ja pinnoitemateriaalina; näin ollen β-SiC on tällä hetkellä ensisijainen pinnoitteissa käytetty materiaali.
Yleisenä puolijohdetuotannon kulutusmateriaalina piikarbidipinnoitteita käytetään pääasiassa prosesseissa, kuten substraattien valmistuksessa, epitaksiassa, hapetuksessa ja diffuusiossa, etsauksessa ja ioni-istutuksessa. Pinnoitteen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien on täytettävä tiukat korkean lämpötilan ja korroosionkestävyyden vaatimukset, koska nämä vaikuttavat suoraan tuotteen saantoon ja käyttöikään. Siksi piikarbidipinnoitteiden valmistus on kriittistä.
Piikarbidipinnoitteiden valmistusprosessi
Tällä hetkellä piikarbidipinnoitteiden valmistusmenetelmiä ovat pääasiassa sol-geelimenetelmä, upotusmenetelmä, sivellinpinnoitus, plasmaruiskutus, kemiallinen höyryreaktio (CVR) ja kemiallinen höyrypinnoitus (CVD).
Upotusmenetelmä
Tämä menetelmä on eräänlainen korkean lämpötilan kiinteän olomuodon sintraus. Siinä käytetään pääasiassa piijauheen (Si) ja hiilijauheen (C) seosta upotusjauheena. Grafiittisubstraatti asetetaan upotusjauheen sisään ja sintrataan korkeissa lämpötiloissa inertissä kaasuatmosfäärissä, jolloin lopulta muodostuu piikarbidipinnoite grafiittisubstraatin pinnalle. Menetelmä on yksinkertainen ja pinnoitteen ja substraatin välillä on hyvä tarttuvuus; pinnoitteella on kuitenkin huono tasaisuus paksuussuunnassa ja se on altis lukuisten huokosten kehittymiselle, mikä johtaa heikkoon hapettumisenkestävyyteen.
Siveltimen pinnoitusmenetelmä
Sivellinpäällystysmenetelmässä grafiittialustan pinnalle levitetään pääasiassa nestemäistä raaka-ainetta, minkä jälkeen materiaali kovetetaan tietyssä lämpötilassa pinnoitteen muodostamiseksi. Tämä menetelmä on yksinkertainen ja kustannustehokas; tuloksena olevalla pinnoitteella on kuitenkin heikko tarttuvuus alustaan, huono tasaisuus ja se on suhteellisen ohut ja sen hapettumiskestävyys heikko, mikä edellyttää lisämenetelmiä.
Plasmaruiskutusmenetelmä
Plasmaruiskutusmenetelmässä grafiittialustan pinnalle ruiskutetaan plasmapistoolin avulla sulaa tai puoliksi sulaa raaka-ainetta, joka sitten jähmettyy ja sitoutuu muodostaen pinnoitteen. Tämä menetelmä on helppokäyttöinen ja sillä voidaan tuottaa suhteellisen tiheitä piikarbidipinnoitteita; tuloksena olevat pinnoitteet ovat kuitenkin usein liian ohuita, mikä johtaa huonoon hapettumisenkestävyyteen. Siksi sitä käytetään yleisesti piikarbidikomposiittipinnoitteiden valmistuksessa pinnoitteen laadun parantamiseksi.
Gel-Sol-menetelmä
Geeli-soolimenetelmässä valmistetaan pääasiassa tasainen, läpinäkyvä sooliliuos substraatin pinnan päällystämiseksi. Kuivattuaan geeliksi materiaali sintrataan pinnoitteen muodostamiseksi. Tämä menetelmä on yksinkertainen käyttää ja suhteellisen edullinen; saaduilla pinnoitteilla on kuitenkin haittoja, kuten heikko lämmönshokin kestävyys ja taipumus halkeilla, mikä rajoittaa niiden laajaa käyttöä.
Kemiallinen höyryreaktio (CVR) -menetelmä
CVR käyttää pääasiassa Si- ja SiO₂-jauheita SiO₂-höyryn tuottamiseen korkeissa lämpötiloissa, mikä käynnistää sarjan kemiallisia reaktioita Si-substraatin pinnalla ja muodostaa SiC-pinnoitteen. Tällä menetelmällä valmistettu SiC-pinnoite sitoutuu tiukasti substraattiin; reaktiolämpötila on kuitenkin korkea ja kustannukset ovat myös suhteellisen korkeat.
Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD)
CVD on tällä hetkellä ensisijainen teknologia piikarbidipinnoitteiden valmistamiseksi alustapinnoille. Pääprosessi sisältää sarjan fysikaalis-kemiallisia reaktioita kaasumaisten lähtöaineiden ja alustan pinnan välillä, mikä lopulta johtaa piikarbidipinnoitteen laskeutumiseen. CVD-tekniikalla tuotetut piikarbidipinnoitteet sitoutuvat tiukasti alustan pintaan ja voivat tehokkaasti parantaa alustamateriaalin hapettumisenkestävyyttä ja ablaatiokestävyyttä; tämä menetelmä vaatii kuitenkin suhteellisen pitkän laskeutumisajan, ja reaktiokaasut sisältävät tiettyjä myrkyllisiä komponentteja.
SiC-pinnoitteiden trendit
Piikarbidipinnoitteita käytetään pääasiassa kulutusmateriaaleina puolijohdevalmistuksessa, ja keskeisiä suorituskykymittareita ovat pinnoitteen tasaisuus, lämpölaajenemiskerroin ja lämmönjohtavuus. Vaikka piikarbidipinnoitteille on merkittävää kotimaista kysyntää Kiinassa, teknologia on edelleen kehittymätöntä. Ulkomailla alalla toimii vain yksi yhdysvaltalainen yritys, ja sen tuotteet ovat suhteellisen kalliita.
Kristalliveneetovat epitaksiaalisessa tuotannossa käytettäviä kulutusmateriaaleja, jotka voivat korvata piikarbidipäällysteisen grafiitin, vaikka markkinavolyymi on pieni. Seuraavaksi on TaC-päällysteinen grafiitti, joka tarjoaa paremman kemiallisen korroosionkestävyyden kuin paljas grafiitti tai piikarbidipäällysteinen grafiitti, mutta se on kohtuuttoman kallista ja vielä kehitysvaiheessa. Tällä hetkellä kotimaiset yritykset, kutenLiufang puolijohde, SemicerajaVetek Semiconductorharjoittavat tutkimus- ja kehitystyötä tällä alueella.
Julkaisun aika: 20.5.2026