Une couche épitaxiale est un film mince monocristallin spécifique, déposé sur un substrat de silicium par un procédé d'épitaxie ; le substrat et le film épitaxial forment ensemble une plaquette épitaxiale. Parmi les procédés de croissance de couches épitaxiales de carbure de silicium, on obtient une plaquette épitaxiale homogène en carbure de silicium, qui peut ensuite être transformée en dispositifs de puissance tels que des diodes Schottky, des MOSFET et des IGBT. Le substrat le plus couramment utilisé est le SiC-4H.
Étant donné que la quasi-totalité des dispositifs sont fabriqués sur des couches épitaxiales, la qualité de ces dernières influe considérablement sur leurs performances. Or, cette qualité est elle-même influencée par les procédés de cristallisation et de traitement du substrat, ce qui en fait un élément crucial pour l'industrie et un facteur déterminant de son développement.
Les principales méthodes de préparation des couches épitaxiales de carbure de silicium comprennent : le dépôt en phase vapeur ; l’épitaxie en phase liquide (EPL) ; l’épitaxie par jets moléculaires (EJM) ; et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Parmi celles-ci, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est la méthode la plus couramment utilisée pour l’épitaxie homogène du 4H-SiC. L’épitaxie CVD du 4H-SiC fait généralement appel à un équipement CVD qui garantit la continuité de la structure cristalline du 4H-SiC sous des températures de croissance élevées.
Dans les équipements CVD, le substrat ne peut être placé directement sur une surface métallique ni simplement sur un support pour le dépôt épitaxial, car cela implique divers facteurs tels que la direction du flux de gaz (horizontal, vertical), la température, la pression, la fixation et la contamination par des particules détachées. Par conséquent, un support est nécessaire ; le substrat est placé sur un plateau, et le dépôt épitaxial est ensuite réalisé sur le substrat par la technologie CVD. Ce support est un socle en graphite recouvert de SiC.
Composant essentiel, le substrat en graphite présente une résistance et un module spécifiques élevés, ainsi qu'une bonne résistance aux chocs thermiques et à la corrosion. Cependant, lors de la production, le graphite est sujet à la corrosion et au détachement de poudre en raison des gaz corrosifs et des composés organométalliques résiduels, ce qui réduit considérablement sa durée de vie. Par ailleurs, la poudre de graphite détachée peut contaminer les puces. Dans la production de plaquettes épitaxiales en carbure de silicium, il est devenu de plus en plus difficile de satisfaire aux exigences toujours plus strictes imposées aux matériaux en graphite, ce qui limite fortement leur développement et leurs applications pratiques. En conséquence,technologie de revêtementest apparue comme une solution.
Avantages des revêtements en SiC dans l'industrie des semi-conducteurs
Les propriétés physico-chimiques des revêtements doivent répondre à des exigences strictes en matière de résistance aux hautes températures et à la corrosion, car elles influent directement sur le rendement et la durée de vie du produit. Le carbure de silicium (SiC) possède une résistance mécanique et une dureté élevées, un faible coefficient de dilatation thermique et une excellente conductivité thermique, ce qui en fait un matériau structural et semi-conducteur essentiel pour les applications à haute température. Appliqué sur des substrats en graphite, il présente les avantages suivants :
1) Le SiC est résistant à la corrosion et peut encapsuler complètement le substrat en graphite. Sa haute densité empêche les dommages causés par les gaz corrosifs.
2) Le SiC possède une conductivité thermique élevée et une forte adhérence au substrat en graphite, garantissant que le revêtement reste intact même après des cycles répétés de températures élevées et basses.
3) Le SiC possède une excellente stabilité chimique, empêchant la défaillance du revêtement dans des atmosphères corrosives à haute température.
De plus, les fours d'épitaxie fabriqués à partir de différents matériaux nécessitent des plateaux en graphite aux performances spécifiques. Le coefficient de dilatation thermique du graphite doit être compatible avec la température de croissance du four. Par exemple, la température de croissance pour l'épitaxie du carbure de silicium étant élevée, des plateaux présentant un coefficient de dilatation thermique très proche sont nécessaires. Le coefficient de dilatation thermique du SiC étant très proche de celui du graphite, il constitue le matériau de choix pour le revêtement des substrats en graphite.
Le SiC existe sous plusieurs formes cristallines, les plus courantes étant actuellement les types 3C, 4H et 6H, chacune ayant des applications spécifiques. Par exemple, le 4H-SiC est utilisé pour la fabrication de dispositifs de puissance ; le 6H-SiC, le plus stable, sert à la fabrication de dispositifs optoélectroniques ; et le 3C-SiC, de par sa similarité structurale avec le GaN, est utilisé pour la production de couches épitaxiales de GaN destinées à la fabrication de dispositifs RF SiC-GaN. Le 3C-SiC est également souvent appelé β-SiC. Une application clé du β-SiC est son utilisation comme matériau de revêtement et de couches minces ; de ce fait, le β-SiC est actuellement le matériau de prédilection pour les revêtements.
Les revêtements en SiC, consommables courants dans la production de semi-conducteurs, sont principalement utilisés dans des procédés tels que la préparation des substrats, l'épitaxie, l'oxydation et la diffusion, la gravure et l'implantation ionique. Leurs propriétés physico-chimiques doivent répondre à des exigences strictes en matière de résistance aux hautes températures et à la corrosion, car elles influent directement sur le rendement et la durée de vie du produit. Par conséquent, la préparation des revêtements en SiC est cruciale.
Procédé de préparation des revêtements en carbure de silicium
Actuellement, les principales méthodes de préparation des revêtements SiC comprennent la méthode sol-gel, la méthode d'enrobage, le revêtement au pinceau, la projection plasma, la réaction chimique en phase vapeur (CVR) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Méthode d'intégration
Cette méthode est un type de frittage à l'état solide à haute température. Elle utilise principalement un mélange de poudres de silicium (Si) et de carbone (C) comme poudre d'enrobage. Un substrat de graphite est placé au sein de cette poudre et fritté à haute température sous atmosphère inerte, formant ainsi un revêtement de SiC à la surface du substrat. Cette méthode présente l'avantage d'un procédé simple et d'une bonne adhérence entre le revêtement et le substrat ; cependant, le revêtement manque d'uniformité dans le sens de l'épaisseur et est sujet à la formation de nombreux pores, ce qui entraîne une faible résistance à l'oxydation.
Méthode de revêtement au pinceau
La méthode d'enduction au pinceau consiste principalement à appliquer une matière première liquide sur la surface d'un substrat en graphite, puis à la polymériser à une température spécifique pour former le revêtement. Cette méthode est simple et économique ; cependant, le revêtement obtenu présente une faible adhérence au substrat, une uniformité médiocre et une épaisseur relativement faible, avec une faible résistance à l'oxydation, ce qui nécessite des méthodes complémentaires.
Méthode de projection plasma
La projection plasma consiste à pulvériser, à l'aide d'un pistolet à plasma, une matière première fondue ou semi-fondue sur la surface d'un substrat en graphite. Cette matière se solidifie ensuite et adhère pour former un revêtement. Simple à mettre en œuvre, cette méthode permet d'obtenir des revêtements de carbure de silicium relativement denses. Toutefois, ces revêtements sont souvent trop minces, ce qui entraîne une faible résistance à l'oxydation. C'est pourquoi elle est généralement utilisée pour la préparation de revêtements composites SiC, afin d'améliorer la qualité du revêtement.
Méthode gel-sol
La méthode sol-gel consiste principalement à préparer une solution sol uniforme et transparente pour revêtir la surface du substrat. Après séchage et formation d'un gel, le matériau est fritté pour former le revêtement. Cette méthode est simple à mettre en œuvre et relativement peu coûteuse ; cependant, les revêtements obtenus présentent des inconvénients tels qu'une faible résistance aux chocs thermiques et une tendance à la fissuration, ce qui limite leur application à grande échelle.
Méthode de réaction chimique en phase vapeur (CVR)
Le procédé CVR utilise principalement des poudres de Si et de SiO₂ pour générer de la vapeur de SiO₂ à haute température, déclenchant une série de réactions chimiques à la surface du substrat de Si pour former un revêtement de SiC. Ce revêtement de SiC présente une forte adhérence au substrat ; cependant, la température de réaction est élevée et le coût relativement important.
Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est actuellement la principale technologie de préparation de revêtements de SiC sur des substrats. Le procédé principal repose sur une série de réactions physico-chimiques entre des réactifs gazeux et la surface du substrat, aboutissant au dépôt d'un revêtement de SiC. Les revêtements de SiC obtenus par CVD adhèrent fortement à la surface du substrat et améliorent efficacement la résistance à l'oxydation et à l'ablation du matériau. Cependant, cette méthode requiert un temps de dépôt relativement long et les gaz de réaction contiennent certains composants toxiques.
Tendances en matière de revêtements SiC
Les revêtements en carbure de silicium (SiC) sont principalement utilisés comme consommables dans la fabrication de semi-conducteurs. Leurs principaux critères de performance incluent l'uniformité du revêtement, le coefficient de dilatation thermique et la conductivité thermique. Bien que la demande intérieure de revêtements en SiC soit importante en Chine, la technologie y demeure encore peu développée. À l'étranger, une seule entreprise américaine opère dans ce secteur, et ses produits sont relativement onéreux.
Bateaux de cristalIl existe des consommables utilisés dans la production épitaxiale qui peuvent remplacer le graphite revêtu de SiC, bien que le volume du marché soit encore faible. Vient ensuite le graphite revêtu de TaC, qui offre une meilleure résistance à la corrosion chimique que le graphite nu ou le graphite revêtu de SiC, mais son coût est prohibitif et son développement n'en est qu'à ses débuts. Actuellement, des entreprises nationales telles que…Semi-conducteur Liufang, Semicera, etVetek Semiconductorsont engagés dans des activités de R&D dans ce domaine.
Date de publication : 20 mai 2026