Az epitaxiális réteg egy speciális egykristályos vékonyréteg, amelyet epitaxiális eljárással növesztenek egy ostyahordozóra; az ostyahordozót és az epitaxiális filmet együttesen epitaxiális ostyának nevezik. Ilyen például egy szilícium-karbid epitaxiális réteg vezetőképes szilícium-karbid hordozóra növesztése, amelyből tovább lehet gyártani teljesítményeszközöket, például Schottky-diódákat, MOSFET-eket és IGBT-ket. A legszélesebb körben használt hordozótípus a 4H-SiC hordozó.
Mivel gyakorlatilag minden eszközt epitaxiális rétegekre építenek, az epitaxiális réteg minősége jelentős hatással van az eszköz teljesítményére. Az epitaxiális réteg minőségét azonban befolyásolja a kristály- és hordozófeldolgozás, ami kritikus pontra helyezi az iparágban, és kulcsszerepet játszik annak fejlesztésében.
A szilícium-karbid epitaxiális rétegek előállításának elsődleges módszerei a következők: gőzfázisú leválasztás; folyadékfázisú epitaxia (LPE); molekulasugaras epitaxia (MBE); és kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD). Ezek közül a kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) a legszélesebb körben alkalmazott módszer a 4H-SiC homogén epitaxiájához. A 4H-SiC CVD epitaxia jellemzően CVD berendezéseket alkalmaz, amelyek biztosítják a 4H-SiC kristályszerkezet folytonosságát magas növekedési hőmérsékletek mellett.
A CVD berendezésekben az aljzatot nem lehet közvetlenül fémfelületre helyezni, vagy egyszerűen egy alapra helyezni epitaxiális leválasztáshoz, mivel ez különféle befolyásoló tényezőket foglal magában, mint például a gázáramlás iránya (vízszintes, függőleges), hőmérséklet, nyomás, rögzítés és a leváló részecskék szennyeződése. Ezért egy tartóalapra van szükség; az aljzatot egy tálcára helyezik, majd CVD technológiával epitaxiális leválasztást végeznek rajta. Ez a tartóalap egy SiC-bevonatú grafittalap.
Magkomponensként a grafit hordozó nagy fajlagos szilárdsággal és fajlagos modulussal, valamint jó hősokk- és korrózióállósággal rendelkezik. A gyártás során azonban a grafit korróziónak és porleválásnak van kitéve a korrozív gázok és a maradék fémorganikus vegyületek miatt, ami jelentősen csökkenti a hordozó élettartamát. Ugyanakkor a leváló grafitpor szennyezheti a chipeket. A szilícium-karbid epitaxiális ostyák gyártása során egyre nehezebb megfelelni a grafit anyagokkal szemben támasztott egyre szigorúbb követelményeknek, ami jelentősen korlátozza azok fejlesztését és gyakorlati alkalmazását. Következésképpen,bevonatolási technológiamegoldásként merült fel.
A SiC bevonatok előnyei a félvezetőiparban
A bevonatok fizikai és kémiai tulajdonságainak szigorú hőmérsékleti és korrózióállósági követelményeknek kell megfelelniük, mivel ezek közvetlenül befolyásolják a termék hozamát és élettartamát. A SiC anyag nagy szilárdsággal, nagy keménységgel, alacsony hőtágulási együtthatóval és kiváló hővezető képességgel rendelkezik, így kritikus magas hőmérsékletű szerkezeti és félvezető anyag. Grafit hordozókra alkalmazva előnyei a következők:
1) A SiC korrózióálló, és képes teljesen beborítani a grafit hordozót. Nagy sűrűsége megakadályozza a korrozív gázok okozta károsodást.
2) A SiC magas hővezető képességgel és erős kötési szilárdsággal rendelkezik a grafit hordozóval, így a bevonat ismételt magas-alacsony hőmérsékleti ciklusok után is ép marad.
3) A SiC kiváló kémiai stabilitással rendelkezik, megakadályozza a bevonat meghibásodását magas hőmérsékletű, korrozív környezetben.
Továbbá, a különböző anyagokból készült epitaxiális kemencékhez speciális teljesítményspecifikációjú grafittálcákra van szükség. A grafitanyag hőtágulási együtthatójának kompatibilisnek kell lennie az epitaxiális kemence növekedési hőmérsékletével. Például, mivel a szilícium-karbid epitaxia növekedési hőmérséklete magas, olyan tálcákra van szükség, amelyek hőtágulási együtthatója nagymértékben illeszkedik. A SiC hőtágulási együtthatója nagyon kevéssé különbözik a grafitétól, így ez az előnyben részesített anyag a grafit hordozók felületének bevonására.
A SiC többféle kristályformában létezik, amelyek közül jelenleg a leggyakoribbak a 3C, 4H és 6H típusok, amelyek mindegyike más-más alkalmazási területet szolgál. Például a 4H-SiC-t nagy teljesítményű eszközök gyártására használják; a 6H-SiC a legstabilabb, és optoelektronikai eszközök gyártására használják; és a 3C-SiC-t, a GaN-hoz való szerkezeti hasonlósága miatt, GaN epitaxiális rétegek előállítására használják SiC-GaN RF eszközök gyártásához. A 3C-SiC-t általában β-SiC-nek is nevezik. A β-SiC egyik fő alkalmazási területe a vékonyréteg- és bevonóanyagként való felhasználása; következésképpen a β-SiC jelenleg a bevonatokhoz használt elsődleges anyag.
A félvezetőgyártásban gyakori fogyóanyagként a SiC bevonatokat elsősorban olyan folyamatokban használják, mint az aljzat előkészítése, epitaxia, oxidáció és diffúzió, maratás és ionimplantáció. A bevonat fizikai és kémiai tulajdonságainak szigorú követelményeknek kell megfelelniük a magas hőmérséklettel szembeni ellenállás és a korrózióállóság tekintetében, mivel ezek közvetlenül befolyásolják a termék hozamát és élettartamát. Következésképpen a SiC bevonatok előkészítése kritikus fontosságú.
Szilícium-karbid bevonatok előállításának folyamata
Jelenleg a SiC bevonatok előállításának fő módszerei a szol-gél módszer, a beágyazási módszer, az ecsetvonás, a plazmaszórás, a kémiai gőzfázisú reakció (CVR) és a kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD).
Beágyazási módszer
Ez a módszer egyfajta magas hőmérsékletű szilárdtest szinterezés. Elsősorban szilícium (Si) por és szén (C) por keverékét használja beágyazó porként. Egy grafit hordozót helyeznek a beágyazó porba, és magas hőmérsékleten inert gázatmoszférában szinterelik, végül SiC bevonatot képezve a grafit hordozó felületén. Ez a módszer egyszerű folyamatot és jó tapadást mutat a bevonat és a hordozó között; azonban a bevonat a vastagság irányában gyenge egyenletességet mutat, és hajlamos számos pórus kialakulására, ami gyenge oxidációs ellenállást eredményez.
Ecsetbevonatolási módszer
Az ecsetvonásos módszer elsősorban folyékony alapanyag felvitelét jelenti a grafit hordozó felületére, majd az anyagot egy meghatározott hőmérsékleten kikeményítik a bevonat kialakításához. Ez a módszer egyszerű és költséghatékony; azonban a kapott bevonat gyenge tapadást mutat az hordozóhoz, rossz egyenletességet mutat, viszonylag vékony, alacsony oxidációs ellenállással, ami kiegészítő módszereket tesz szükségessé.
Plazmaszórási módszer
A plazmaszórási módszer során plazmapisztoly segítségével olvadt vagy félig olvadt alapanyagot permeteznek a grafit hordozó felületére, amely ezután megszilárdul és bevonatot képez. Ez a módszer egyszerűen kezelhető, és viszonylag sűrű szilícium-karbid bevonatokat képes előállítani; azonban a kapott bevonatok gyakran túl vékonyak, ami gyenge oxidációs ellenálláshoz vezet. Ezért általában SiC kompozit bevonatok előállításánál használják a bevonat minőségének javítása érdekében.
Gél-szol módszer
A gél-szol módszer elsősorban egy egyenletes, átlátszó szololdat elkészítését jelenti az aljzat felületének bevonására. Miután az anyagot géllé száradt, szinterelik a bevonat kialakításához. Ez a módszer egyszerűen kezelhető és viszonylag olcsó; azonban a kapott bevonatok olyan hátrányokkal rendelkeznek, mint az alacsony hősokk-állóság és a repedésre való hajlam, ami korlátozza széles körű alkalmazásukat.
Kémiai gőzreakció (CVR) módszer
A CVR elsősorban Si és SiO₂ porokat használ SiO₂ gőz előállítására magas hőmérsékleten, ami kémiai reakciók sorozatát indítja el a Si hordozó felületén, létrehozva egy SiC bevonatot. Az ezzel a módszerrel előállított SiC bevonat szorosan kötődik a hordozóhoz; azonban a reakcióhőmérséklet magas, és a költség is viszonylag magas.
Kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD)
A CVD jelenleg az elsődleges technológia a SiC bevonatok hordozófelületeken történő előállítására. A fő folyamat a gáz halmazállapotú reagensek és a hordozófelület között lezajló fizikai-kémiai reakciók sorozatát foglalja magában, ami végső soron a SiC bevonat lerakódásához vezet. A CVD technológiával előállított SiC bevonatok szorosan kötődnek a hordozófelülethez, és hatékonyan javíthatják a hordozóanyag oxidációs ellenállását és ablációs ellenállását; ez a módszer azonban viszonylag hosszú lerakódási időt igényel, és a reakciógázok bizonyos mérgező összetevőket tartalmaznak.
Trendek a SiC bevonatokban
A SiC bevonatokat elsősorban fogyóeszközként használják a félvezetőgyártásban, ahol a fő teljesítménymutatók közé tartozik a bevonat egyenletessége, a hőtágulási együttható és a hővezető képesség. Bár Kínában jelentős belföldi kereslet van a SiC bevonatok iránt, a technológia még mindig fejletlen. Külföldön csak egyetlen amerikai vállalat működik ezen a területen, és termékei viszonylag drágák.
Kristályhajókolyan epitaxiális gyártásban használt fogyóeszközök, amelyek helyettesíthetik a SiC-bevonatú grafitot, bár a piaci volumen kicsi. Ezután következik a TaC-bevonatú grafit, amely jobb kémiai korrózióállóságot kínál, mint a csupasz grafit vagy a SiC-bevonatú grafit, de megfizethetetlenül drága, és még mindig a fejlesztés korai szakaszában van. Jelenleg a hazai vállalatok, mint példáulLiufang félvezető, Semicera, ésVetek félvezetőkutatás-fejlesztéssel foglalkoznak ezen a területen.
Közzététel ideje: 2026. május 20.