Unha capa epitaxial é unha película delgada de monocristal específica que crece sobre un substrato de oblea mediante un proceso epitaxial; a oblea do substrato e a película epitaxial denomínanse conxuntamente oblea epitaxial. Entre elas, o crecemento dunha capa epitaxial de carburo de silicio sobre un substrato condutor de carburo de silicio produce unha oblea epitaxial homoxénea de carburo de silicio, que se pode fabricar posteriormente en dispositivos de potencia como díodos Schottky, MOSFET e IGBT. O tipo de substrato máis utilizado é o substrato 4H-SiC.
Dado que practicamente todos os dispositivos se fabrican sobre capas epitaxiais, a calidade da capa epitaxial ten un impacto significativo no rendemento do dispositivo. Non obstante, a calidade da capa epitaxial vese influenciada polo procesamento do cristal e do substrato, o que a sitúa nun momento crítico da industria e desempeña un papel fundamental no seu desenvolvemento.
Os métodos principais para preparar capas epitaxiais de carburo de silicio inclúen: deposición de vapor; epitaxia en fase líquida (LPE); epitaxia por feixe molecular (MBE); e deposición química de vapor (CVD). Entre estes, a deposición química de vapor (CVD) é o método máis empregado para a epitaxia homoxénea de 4H-SiC. A epitaxia CVD de 4H-SiC emprega normalmente equipos CVD, que garanten a continuidade da estrutura cristalina de 4H-SiC a altas temperaturas de crecemento.
Nos equipos de deposición química en fase CVD, o substrato non se pode colocar directamente sobre unha superficie metálica nin simplemente sobre unha base para a deposición epitaxial, xa que isto implica varios factores de influencia como a dirección do fluxo de gas (horizontal, vertical), a temperatura, a presión, a fixación e a contaminación das partículas que se desprenden. Polo tanto, requírese unha base de soporte; o substrato colócase nunha bandexa e, a continuación, realízase a deposición epitaxial sobre o substrato mediante a tecnoloxía CVD. Esta base de soporte é unha base de grafito recuberta de SiC.
Como compoñente central, o substrato de grafito presenta unha alta resistencia específica e un módulo específico, así como unha boa resistencia aos choques térmicos e á corrosión. Non obstante, durante a produción, o grafito está suxeito a corrosión e desprendemento de po debido aos gases corrosivos e aos compostos organometálicos residuais, o que reduce significativamente a vida útil do substrato. Ao mesmo tempo, o po de grafito desprendido pode contaminar os chips. Na produción de obleas epitaxiais de carburo de silicio, tornouse cada vez máis difícil cumprir os requisitos cada vez máis estritos para os materiais de grafito, o que limita gravemente o seu desenvolvemento e aplicación práctica. En consecuencia,tecnoloxía de revestimentoxurdiu como unha solución.
Vantaxes dos revestimentos de SiC na industria dos semicondutores
As propiedades físicas e químicas dos revestimentos deben cumprir requisitos estritos de resistencia a altas temperaturas e á corrosión, xa que estes inflúen directamente no rendemento e na vida útil do produto. O material SiC posúe alta resistencia, alta dureza, un baixo coeficiente de expansión térmica e unha excelente condutividade térmica, o que o converte nun material estrutural e semicondutor fundamental para altas temperaturas. Cando se aplica a substratos de grafito, as súas vantaxes inclúen:
1) O SiC é resistente á corrosión e pode encapsular completamente o substrato de grafito. A súa alta densidade evita os danos causados polos gases corrosivos.
2) O SiC ten unha alta condutividade térmica e unha forte forza de unión co substrato de grafito, o que garante que o revestimento permaneza intacto mesmo despois de repetidos ciclos de alta e baixa temperatura.
3) O SiC posúe unha excelente estabilidade química, o que impide a falla do revestimento en atmosferas corrosivas a altas temperaturas.
Ademais, os fornos epitaxiais feitos de diferentes materiais requiren bandexas de grafito con especificacións de rendemento específicas. O coeficiente de expansión térmica do material de grafito debe ser compatible coa temperatura de crecemento do forno epitaxial. Por exemplo, dado que a temperatura de crecemento para a epitaxia de carburo de silicio é alta, requírense bandexas cun alto grao de coincidencia do coeficiente de expansión térmica. O coeficiente de expansión térmica do SiC difire moi pouco do do grafito, o que o converte no material preferido para revestir a superficie dos substratos de grafito.
O SiC existe en múltiples formas cristalinas, sendo as máis comúns na actualidade os tipos 3C, 4H e 6H, cada unha delas con aplicacións diferentes. Por exemplo, o 4H-SiC úsase para fabricar dispositivos de alta potencia; o 6H-SiC é o máis estable e úsase para fabricar dispositivos optoelectrónicos; e o 3C-SiC, debido á súa semellanza estrutural co GaN, úsase para producir capas epitaxiais de GaN para a fabricación de dispositivos de radiofrecuencia SiC-GaN. O 3C-SiC tamén se coñece comunmente como β-SiC. Unha aplicación clave do β-SiC é como material de película fina e de revestimento; en consecuencia, o β-SiC é actualmente o principal material utilizado para os revestimentos.
Como consumible habitual na produción de semicondutores, os recubrimentos de SiC utilízanse principalmente en procesos como a preparación de substratos, a epitaxia, a oxidación e a difusión, o gravado e a implantación de ións. As propiedades físicas e químicas do recubrimento deben cumprir uns requisitos estritos de resistencia a altas temperaturas e á corrosión, xa que estas inflúen directamente no rendemento e na vida útil do produto. En consecuencia, a preparación dos recubrimentos de SiC é fundamental.
Proceso para a preparación de revestimentos de carburo de silicio
Actualmente, os principais métodos para preparar revestimentos de SiC inclúen o método sol-gel, o método de incrustación, o revestimento con pincel, a pulverización por plasma, a reacción química de vapor (CVR) e a deposición química de vapor (CVD).
Método de incrustación
Este método é un tipo de sinterización en estado sólido a alta temperatura. Emprega principalmente unha mestura de po de silicio (Si) e po de carbono (C) como po de incrustación. Un substrato de grafito colócase dentro do po de incrustación e sinterízase a altas temperaturas nunha atmosfera de gas inerte, formando finalmente un revestimento de SiC na superficie do substrato de grafito. Este método presenta un proceso sinxelo e unha boa adhesión entre o revestimento e o substrato; non obstante, o revestimento presenta unha uniformidade deficiente ao longo da dirección do grosor e é propenso a desenvolver numerosos poros, o que resulta nunha baixa resistencia á oxidación.
Método de revestimento con brocha
O método de revestimento con pincel implica principalmente a aplicación de materia prima líquida á superficie do substrato de grafito, seguida do curado do material a unha temperatura específica para formar o revestimento. Este método é sinxelo e rendible; non obstante, o revestimento resultante presenta unha adhesión débil ao substrato, unha uniformidade deficiente e é relativamente delgado con baixa resistencia á oxidación, o que require métodos suplementarios.
Método de pulverización por plasma
O método de pulverización por plasma implica o uso dunha pistola de plasma para pulverizar materia prima fundida ou semifundida sobre a superficie do substrato de grafito, que logo solidifica e se une para formar un revestimento. Este método é sinxelo de operar e pode producir revestimentos de carburo de silicio relativamente densos; non obstante, os revestimentos resultantes adoitan ser demasiado finos, o que leva a unha baixa resistencia á oxidación. Polo tanto, úsase xeralmente na preparación de revestimentos compostos de SiC para mellorar a calidade do revestimento.
Método Gel-Sol
O método xel-sol implica principalmente a preparación dunha solución de sol uniforme e transparente para recubrir a superficie do substrato. Despois de secar ata converterse nun xel, o material sintérase para formar o revestimento. Este método é sinxelo de operar e relativamente baixo; non obstante, os revestimentos resultantes presentan inconvenientes como a baixa resistencia aos choques térmicos e a tendencia a rachar, o que limita a súa aplicación xeneralizada.
Método de reacción química en vapor (CVR)
O CVR utiliza principalmente pós de Si e SiO₂ para xerar vapor de SiO₂ a altas temperaturas, o que desencadea unha serie de reaccións químicas na superficie do substrato de Si para formar un revestimento de SiC. O revestimento de SiC producido por este método adhírese firmemente ao substrato; non obstante, a temperatura de reacción é alta e o custo tamén é relativamente alto.
Deposición química de vapor (CVD)
A CVD é actualmente a tecnoloxía principal para a preparación de revestimentos de SiC en superficies de substratos. O proceso principal implica unha serie de reaccións fisicoquímicas entre os reactivos gasosos e a superficie do substrato, o que finalmente resulta na deposición dun revestimento de SiC. Os revestimentos de SiC producidos pola tecnoloxía CVD adhírense firmemente á superficie do substrato e poden mellorar eficazmente a resistencia á oxidación e á ablación do material do substrato; non obstante, este método require un tempo de deposición relativamente longo e os gases de reacción conteñen certos compoñentes tóxicos.
Tendencias nos revestimentos de SiC
Os revestimentos de SiC úsanse principalmente como consumibles na fabricación de semicondutores, e as métricas clave de rendemento inclúen a uniformidade do revestimento, o coeficiente de expansión térmica e a condutividade térmica. Aínda que existe unha demanda interna significativa de revestimentos de SiC na China, a tecnoloxía segue sendo inmatura. No estranxeiro, só unha empresa estadounidense opera neste campo e os seus produtos son relativamente caros.
Barcos de cristalson consumibles empregados na produción epitaxial que poden substituír o grafito revestido de SiC, aínda que o volume de mercado é pequeno. O seguinte é o grafito revestido de TaC, que ofrece unha mellor resistencia á corrosión química que o grafito espido ou o grafito revestido de SiC, pero é prohibitivamente caro e aínda está nas primeiras fases de desenvolvemento. Actualmente, empresas nacionais comoSemicondutor Liufang, Semícera, eVetek Semiconductordedícanse a actividades de I+D neste ámbito.
Data de publicación: 20 de maio de 2026