Lapisan epitaksial adalah lapisan tipis kristal tunggal spesifik yang ditumbuhkan pada substrat wafer melalui proses epitaksial; substrat wafer dan lapisan epitaksial secara kolektif disebut sebagai wafer epitaksial. Di antara lapisan-lapisan ini, menumbuhkan lapisan epitaksial silikon karbida pada substrat silikon karbida konduktif menghasilkan wafer epitaksial silikon karbida homogen, yang selanjutnya dapat diolah menjadi perangkat daya seperti dioda Schottky, MOSFET, dan IGBT. Jenis substrat yang paling banyak digunakan adalah substrat 4H-SiC.
Karena hampir semua perangkat dibuat di atas lapisan epitaksial, kualitas lapisan epitaksial memiliki dampak signifikan pada kinerja perangkat. Namun, kualitas lapisan epitaksial dipengaruhi oleh pemrosesan kristal dan substrat, sehingga menempatkannya pada titik kritis dalam industri dan memainkan peran penting dalam pengembangannya.
Metode utama untuk menyiapkan lapisan epitaksial silikon karbida meliputi: deposisi uap; epitaksi fase cair (LPE); epitaksi berkas molekuler (MBE); dan deposisi uap kimia (CVD). Di antara metode-metode ini, deposisi uap kimia (CVD) adalah metode yang paling banyak digunakan untuk epitaksi homogen 4H-SiC. Epitaksi CVD 4H-SiC biasanya menggunakan peralatan CVD, yang memastikan kontinuitas struktur kristal 4H-SiC pada suhu pertumbuhan tinggi.
Pada peralatan CVD, substrat tidak dapat diletakkan langsung pada permukaan logam atau sekadar diletakkan pada alas untuk deposisi epitaksial, karena hal ini melibatkan berbagai faktor yang memengaruhi seperti arah aliran gas (horizontal, vertikal), suhu, tekanan, fiksasi, dan kontaminasi dari partikel yang terlepas. Oleh karena itu, diperlukan alas penyangga; substrat diletakkan pada baki, dan deposisi epitaksial kemudian dilakukan pada substrat menggunakan teknologi CVD. Alas penyangga ini adalah alas grafit berlapis SiC.
Sebagai komponen inti, substrat grafit memiliki kekuatan spesifik dan modulus spesifik yang tinggi, serta ketahanan terhadap guncangan termal dan korosi yang baik. Namun, selama produksi, grafit rentan terhadap korosi dan pelepasan serbuk akibat gas korosif dan senyawa organometalik sisa, yang secara signifikan mengurangi masa pakai substrat. Pada saat yang sama, serbuk grafit yang terlepas dapat mencemari chip. Dalam produksi wafer epitaksial silikon karbida, semakin sulit untuk memenuhi persyaratan yang semakin ketat untuk material grafit, yang sangat membatasi pengembangan dan aplikasi praktisnya. Akibatnya,teknologi pelapisantelah muncul sebagai solusi.
Keunggulan Pelapisan SiC dalam Industri Semikonduktor
Sifat fisik dan kimia lapisan harus memenuhi persyaratan ketat untuk ketahanan suhu tinggi dan korosi, karena hal ini secara langsung memengaruhi hasil produksi dan umur pakai. Material SiC memiliki kekuatan tinggi, kekerasan tinggi, koefisien ekspansi termal rendah, dan konduktivitas termal yang sangat baik, menjadikannya material struktural dan semikonduktor suhu tinggi yang penting. Ketika diaplikasikan pada substrat grafit, keunggulannya meliputi:
1) SiC tahan korosi dan dapat sepenuhnya melapisi substrat grafit. Kepadatannya yang tinggi mencegah kerusakan akibat gas korosif.
2) SiC memiliki konduktivitas termal yang tinggi dan kekuatan ikatan yang kuat dengan substrat grafit, sehingga lapisan tetap utuh bahkan setelah siklus suhu tinggi-rendah berulang.
3) SiC memiliki stabilitas kimia yang sangat baik, mencegah kegagalan lapisan dalam lingkungan korosif bersuhu tinggi.
Selain itu, tungku epitaksial yang terbuat dari berbagai material memerlukan baki grafit dengan spesifikasi kinerja tertentu. Koefisien ekspansi termal material grafit harus kompatibel dengan suhu pertumbuhan tungku epitaksial. Misalnya, karena suhu pertumbuhan untuk epitaksi silikon karbida tinggi, diperlukan baki dengan tingkat kesesuaian koefisien ekspansi termal yang tinggi. Koefisien ekspansi termal SiC sangat sedikit berbeda dari grafit, menjadikannya material pilihan untuk melapisi permukaan substrat grafit.
SiC hadir dalam berbagai bentuk kristal, dengan yang paling umum saat ini adalah tipe 3C, 4H, dan 6H, masing-masing memiliki aplikasi yang berbeda. Misalnya, 4H-SiC digunakan untuk pembuatan perangkat daya tinggi; 6H-SiC adalah yang paling stabil dan digunakan untuk pembuatan perangkat optoelektronik; dan 3C-SiC, karena kemiripan strukturnya dengan GaN, digunakan untuk menghasilkan lapisan epitaksial GaN untuk pembuatan perangkat RF SiC-GaN. 3C-SiC juga biasa disebut sebagai β-SiC. Aplikasi utama β-SiC adalah sebagai bahan film tipis dan pelapis; akibatnya, β-SiC saat ini merupakan bahan utama yang digunakan untuk pelapis.
Sebagai bahan habis pakai umum dalam produksi semikonduktor, lapisan SiC terutama digunakan dalam proses seperti persiapan substrat, epitaksi, oksidasi dan difusi, etsa, dan implantasi ion. Sifat fisik dan kimia lapisan harus memenuhi persyaratan ketat untuk ketahanan suhu tinggi dan ketahanan korosi, karena hal ini secara langsung memengaruhi hasil dan umur produk. Oleh karena itu, persiapan lapisan SiC sangat penting.
Proses Pembuatan Lapisan Silikon Karbida
Saat ini, metode utama untuk menyiapkan lapisan SiC meliputi metode sol-gel, metode penanaman, pelapisan kuas, penyemprotan plasma, reaksi uap kimia (CVR), dan deposisi uap kimia (CVD).
Metode Penyematan
Metode ini merupakan jenis sintering padat suhu tinggi. Metode ini terutama menggunakan campuran bubuk silikon (Si) dan bubuk karbon (C) sebagai bubuk pengisi. Substrat grafit ditempatkan di dalam bubuk pengisi dan disinter pada suhu tinggi dalam atmosfer gas inert, yang akhirnya membentuk lapisan SiC pada permukaan substrat grafit. Metode ini memiliki proses yang sederhana dan daya rekat yang baik antara lapisan dan substrat; namun, lapisan tersebut menunjukkan keseragaman yang buruk sepanjang arah ketebalan dan rentan terhadap pembentukan banyak pori, yang mengakibatkan ketahanan oksidasi yang buruk.
Metode Pelapisan dengan Kuas
Metode pelapisan dengan kuas terutama melibatkan pengaplikasian bahan baku cair ke permukaan substrat grafit, diikuti dengan pengeringan bahan pada suhu tertentu untuk membentuk lapisan. Metode ini sederhana dan hemat biaya; namun, lapisan yang dihasilkan menunjukkan daya rekat yang lemah pada substrat, keseragaman yang buruk, dan relatif tipis dengan ketahanan oksidasi yang rendah, sehingga memerlukan metode tambahan.
Metode Penyemprotan Plasma
Metode penyemprotan plasma melibatkan penggunaan pistol plasma untuk menyemprotkan bahan baku cair atau setengah cair ke permukaan substrat grafit, yang kemudian mengeras dan berikatan membentuk lapisan. Metode ini mudah dioperasikan dan dapat menghasilkan lapisan silikon karbida yang relatif padat; namun, lapisan yang dihasilkan seringkali terlalu tipis, sehingga menyebabkan ketahanan oksidasi yang buruk. Oleh karena itu, metode ini umumnya digunakan dalam pembuatan lapisan komposit SiC untuk meningkatkan kualitas lapisan.
Metode Gel-Sol
Metode gel-sol terutama melibatkan persiapan larutan sol yang seragam dan transparan untuk melapisi permukaan substrat. Setelah mengering menjadi gel, material tersebut disinter untuk membentuk lapisan. Metode ini mudah dioperasikan dan relatif murah; namun, lapisan yang dihasilkan memiliki beberapa kekurangan seperti ketahanan terhadap guncangan termal yang rendah dan kecenderungan untuk retak, sehingga membatasi penerapannya secara luas.
Metode Reaksi Uap Kimia (CVR)
CVR terutama menggunakan bubuk Si dan SiO₂ untuk menghasilkan uap SiO₂ pada suhu tinggi, yang memicu serangkaian reaksi kimia pada permukaan substrat Si untuk membentuk lapisan SiC. Lapisan SiC yang dihasilkan dengan metode ini terikat erat pada substrat; namun, suhu reaksinya tinggi, dan biayanya juga relatif tinggi.
Deposisi Uap Kimia (CVD)
Saat ini, CVD merupakan teknologi utama untuk menyiapkan lapisan SiC pada permukaan substrat. Proses utamanya melibatkan serangkaian reaksi fisikokimia antara reaktan gas dan permukaan substrat, yang pada akhirnya menghasilkan pengendapan lapisan SiC. Lapisan SiC yang dihasilkan oleh teknologi CVD terikat erat pada permukaan substrat dan dapat secara efektif meningkatkan ketahanan oksidasi dan ketahanan ablasi material substrat; namun, metode ini membutuhkan waktu pengendapan yang relatif lama, dan gas reaksi mengandung komponen beracun tertentu.
Tren dalam Pelapisan SiC
Lapisan SiC terutama digunakan sebagai bahan habis pakai dalam manufaktur semikonduktor, dengan metrik kinerja utama termasuk keseragaman lapisan, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Meskipun terdapat permintaan domestik yang signifikan untuk lapisan SiC di Tiongkok, teknologinya masih belum matang. Di luar negeri, hanya satu perusahaan AS yang beroperasi di bidang ini, dan produknya relatif mahal.
Perahu kristalBahan habis pakai yang digunakan dalam produksi epitaksial dapat menggantikan grafit berlapis SiC, meskipun volume pasarnya kecil. Selanjutnya adalah grafit berlapis TaC, yang menawarkan ketahanan korosi kimia yang lebih baik daripada grafit polos atau grafit berlapis SiC, tetapi harganya sangat mahal dan masih dalam tahap pengembangan awal. Saat ini, perusahaan domestik sepertiSemikonduktor Liufang, Semicera, DanVetek Semikonduktorterlibat dalam penelitian dan pengembangan di bidang ini.
Waktu posting: 20 Mei 2026