Epitaksijalni sloj je specifičan tanki film monokristala uzgojen na podlozi od pločice epitaksijalnim postupkom; podloga i epitaksijalni film zajednički se nazivaju epitaksijalna pločica. Među njima, uzgoj epitaksijalnog sloja silicij-karbida na vodljivoj podlozi od silicij-karbida proizvodi homogenu epitaksijalnu pločicu silicij-karbida, koja se dalje može izraditi u energetske uređaje poput Schottky dioda, MOSFET-ova i IGBT-ova. Najčešće korištena vrsta podloge je 4H-SiC podloga.
Budući da se gotovo svi uređaji izrađuju na epitaksijalnim slojevima, kvaliteta epitaksijalnog sloja ima značajan utjecaj na performanse uređaja. Međutim, na kvalitetu epitaksijalnog sloja utječe obrada kristala i podloge, što ga postavlja na kritičnu točku u industriji i igra ključnu ulogu u njezinom razvoju.
Primarne metode za pripremu epitaksijalnih slojeva silicij-karbida uključuju: taloženje iz pare; epitaksiju tekuće faze (LPE); epitaksiju molekularnog snopa (MBE); i kemijsko taloženje iz pare (CVD). Među njima, kemijsko taloženje iz pare (CVD) je najčešće korištena metoda za homogenu epitaksiju 4H-SiC. CVD epitaksija 4H-SiC obično koristi CVD opremu koja osigurava kontinuitet kristalne strukture 4H-SiC pod visokim temperaturama rasta.
U CVD opremi, podloga se ne može postaviti izravno na metalnu površinu ili jednostavno postaviti na podlogu za epitaksijalno nanošenje, jer to uključuje različite utjecajne čimbenike kao što su smjer protoka plina (horizontalni, vertikalni), temperatura, tlak, fiksacija i kontaminacija od čestica koje se otpuštaju. Stoga je potrebna potporna podloga; podloga se postavlja na pladanj, a zatim se na podlozi izvodi epitaksijalno nanošenje pomoću CVD tehnologije. Ova potporna podloga je grafitna podloga obložena SiC-om.
Kao glavna komponenta, grafitna podloga ima visoku specifičnu čvrstoću i specifični modul, kao i dobru otpornost na toplinske udare i koroziju. Međutim, tijekom proizvodnje, grafit je podložan koroziji i odvajanju praha zbog korozivnih plinova i zaostalih organometalnih spojeva, što značajno smanjuje vijek trajanja podloge. Istovremeno, odbačeni grafitni prah može kontaminirati čips. U proizvodnji epitaksijalnih pločica silicij-karbida, sve je teže zadovoljiti sve strože zahtjeve za grafitne materijale, što ozbiljno ograničava njihov razvoj i praktičnu primjenu. Posljedično,tehnologija premazivanjapojavilo se kao rješenje.
Prednosti SiC premaza u industriji poluvodiča
Fizikalna i kemijska svojstva premaza moraju ispunjavati stroge zahtjeve za otpornost na visoke temperature i koroziju, jer to izravno utječe na prinos i vijek trajanja proizvoda. SiC materijal posjeduje visoku čvrstoću, visoku tvrdoću, nizak koeficijent toplinskog širenja i izvrsnu toplinsku vodljivost, što ga čini ključnim strukturnim i poluvodičkim materijalom za visoke temperature. Kada se primjenjuje na grafitne podloge, njegove prednosti uključuju:
1) SiC je otporan na koroziju i može u potpunosti obaviti grafitnu podlogu. Njegova visoka gustoća sprječava oštećenja od korozivnih plinova.
2) SiC ima visoku toplinsku vodljivost i snažnu čvrstoću veze s grafitnom podlogom, osiguravajući da premaz ostane netaknut čak i nakon ponovljenih ciklusa visokih i niskih temperatura.
3) SiC posjeduje izvrsnu kemijsku stabilnost, sprječavajući oštećenje premaza u visokotemperaturnim, korozivnim atmosferama.
Nadalje, epitaksijalne peći izrađene od različitih materijala zahtijevaju grafitne posude sa specifičnim specifikacijama performansi. Koeficijent toplinskog širenja grafitnog materijala mora biti kompatibilan s temperaturom rasta epitaksijalne peći. Na primjer, budući da je temperatura rasta za epitaksiju silicij-karbida visoka, potrebne su posude s visokim stupnjem usklađivanja koeficijenta toplinskog širenja. Koeficijent toplinskog širenja SiC-a vrlo se malo razlikuje od grafita, što ga čini preferiranim materijalom za premazivanje površine grafitnih podloga.
SiC postoji u više kristalnih oblika, a najčešći su trenutno 3C, 4H i 6H tipovi, od kojih svaki služi različitim primjenama. Na primjer, 4H-SiC se koristi za proizvodnju uređaja velike snage; 6H-SiC je najstabilniji i koristi se za proizvodnju optoelektroničkih uređaja; a 3C-SiC, zbog svoje strukturne sličnosti s GaN, koristi se za proizvodnju GaN epitaksijalnih slojeva za proizvodnju SiC-GaN RF uređaja. 3C-SiC se također često naziva β-SiC. Ključna primjena β-SiC je kao materijal za tanke filmove i premaze; posljedično, β-SiC je trenutno primarni materijal koji se koristi za premaze.
Kao uobičajeni potrošni materijal u proizvodnji poluvodiča, SiC premazi se prvenstveno koriste u procesima kao što su priprema podloge, epitaksija, oksidacija i difuzija, jetkanje i ionska implantacija. Fizikalna i kemijska svojstva premaza moraju ispunjavati stroge zahtjeve za otpornost na visoke temperature i otpornost na koroziju, jer to izravno utječe na prinos proizvoda i vijek trajanja. Posljedično, priprema SiC premaza je ključna.
Postupak za pripremu premaza od silicijevog karbida
Trenutno, primarne metode za pripremu SiC premaza uključuju sol-gel metodu, metodu ugradnje, nanošenje četkom, plazma prskanje, kemijsku reakciju iz pare (CVR) i kemijsko taloženje iz pare (CVD).
Metoda ugradnje
Ova metoda je vrsta visokotemperaturnog sinteriranja u čvrstom stanju. Primarno koristi smjesu silicijevog (Si) praha i ugljikovog (C) praha kao prah za ugradnju. Grafitna podloga se stavlja unutar praha za ugradnju i sinterira na visokim temperaturama u atmosferi inertnog plina, čime se na kraju formira SiC premaz na površini grafitne podloge. Ova metoda ima jednostavan postupak i dobro prianjanje između premaza i podloge; međutim, premaz pokazuje slabu ujednačenost duž smjera debljine i sklon je razvoju brojnih pora, što rezultira slabom otpornošću na oksidaciju.
Metoda premazivanja četkom
Metoda nanošenja premaza četkom prvenstveno uključuje nanošenje tekuće sirovine na površinu grafitne podloge, nakon čega slijedi stvrdnjavanje materijala na određenoj temperaturi kako bi se formirao premaz. Ova metoda je jednostavna i isplativa; međutim, rezultirajući premaz pokazuje slabo prianjanje na podlogu, lošu ujednačenost i relativno je tanak s niskom otpornošću na oksidaciju, što zahtijeva dodatne metode.
Metoda plazma prskanja
Metoda plazma prskanja uključuje korištenje plazma pištolja za prskanje rastaljene ili polurastaljene sirovine na površinu grafitne podloge, koja se zatim skrutne i veže te formira premaz. Ova metoda je jednostavna za korištenje i može proizvesti relativno guste silicij-karbidne premaze; međutim, dobiveni premazi su često pretanki, što dovodi do slabe otpornosti na oksidaciju. Stoga se općenito koristi u pripremi SiC kompozitnih premaza kako bi se poboljšala kvaliteta premaza.
Gel-Sol metoda
Gel-sol metoda prvenstveno uključuje pripremu ujednačene, prozirne sol otopine za premazivanje površine podloge. Nakon sušenja u gel, materijal se sinterira kako bi se formirao premaz. Ova metoda je jednostavna za korištenje i relativno jeftina; međutim, dobiveni premazi imaju nedostatke poput niske otpornosti na toplinske udare i sklonosti pucanju, što ograničava njihovu široku primjenu.
Metoda kemijske reakcije s parom (CVR)
CVR prvenstveno koristi Si i SiO₂ prah za stvaranje SiO₂ pare na visokim temperaturama, pokrećući niz kemijskih reakcija na površini Si podloge kako bi se formirao SiC premaz. SiC premaz proizveden ovom metodom čvrsto se veže za podlogu; međutim, temperatura reakcije je visoka, a i cijena je relativno visoka.
Kemijsko taloženje iz parne faze (CVD)
CVD je trenutno primarna tehnologija za pripremu SiC premaza na površinama podloge. Glavni proces uključuje niz fizikalno-kemijskih reakcija između plinovitih reaktanata i površine podloge, što u konačnici rezultira taloženjem SiC premaza. SiC premazi proizvedeni CVD tehnologijom čvrsto se vežu za površinu podloge i mogu učinkovito poboljšati otpornost materijala podloge na oksidaciju i otpornost na ablaciju; međutim, ova metoda zahtijeva relativno dugo vrijeme taloženja, a reakcijski plinovi sadrže određene otrovne komponente.
Trendovi u SiC premazima
SiC premazi se prvenstveno koriste kao potrošni materijal u proizvodnji poluvodiča, a ključne metrike performansi uključuju ujednačenost premaza, koeficijent toplinskog širenja i toplinsku vodljivost. Iako u Kini postoji značajna domaća potražnja za SiC premazima, tehnologija je još uvijek nerazvijena. U inozemstvu samo jedna američka tvrtka posluje u ovom području, a njezini proizvodi su relativno skupi.
Kristalni brodovisu potrošni materijali koji se koriste u epitaksijalnoj proizvodnji i mogu zamijeniti grafit obložen SiC-om, iako je tržišni volumen malen. Sljedeći je grafit obložen TaC-om, koji nudi bolju kemijsku otpornost na koroziju od golog grafita ili grafita obloženog SiC-om, ali je preskup i još uvijek je u ranim fazama razvoja. Trenutno domaće tvrtke poputLiufang poluvodič, SemiceraiVetek Semiconductorbave se istraživanjem i razvojem u ovom području.
Vrijeme objave: 20. svibnja 2026.