Uno strato epitassiale è un film sottile monocristallino specifico cresciuto su un substrato di wafer tramite un processo epitassiale; il wafer di substrato e il film epitassiale sono collettivamente indicati come wafer epitassiale. Tra questi, la crescita di uno strato epitassiale di carburo di silicio su un substrato conduttivo di carburo di silicio produce un wafer epitassiale di carburo di silicio omogeneo, che può essere ulteriormente trasformato in dispositivi di potenza come diodi Schottky, MOSFET e IGBT. Il tipo di substrato più utilizzato è il substrato di 4H-SiC.
Poiché praticamente tutti i dispositivi sono fabbricati su strati epitassiali, la qualità di questi ultimi ha un impatto significativo sulle prestazioni del dispositivo. Tuttavia, la qualità dello strato epitassiale è influenzata dalla lavorazione del cristallo e del substrato, il che la rende un elemento critico nel settore e le conferisce un ruolo fondamentale nel suo sviluppo.
I principali metodi per la preparazione di strati epitassiali di carburo di silicio includono: deposizione da fase vapore; epitassia in fase liquida (LPE); epitassia a fascio molecolare (MBE); e deposizione chimica da fase vapore (CVD). Tra questi, la deposizione chimica da fase vapore (CVD) è il metodo più utilizzato per l'epitassia omogenea del 4H-SiC. L'epitassia CVD del 4H-SiC impiega in genere apparecchiature CVD, che garantiscono la continuità della struttura cristallina del 4H-SiC ad alte temperature di crescita.
Nelle apparecchiature CVD, il substrato non può essere posizionato direttamente su una superficie metallica o semplicemente su una base per la deposizione epitassiale, poiché ciò implica diversi fattori che influenzano il processo, come la direzione del flusso di gas (orizzontale, verticale), la temperatura, la pressione, il fissaggio e la contaminazione da particelle distaccate. Pertanto, è necessaria una base di supporto; il substrato viene posizionato su un vassoio e la deposizione epitassiale viene quindi eseguita sul substrato utilizzando la tecnologia CVD. Questa base di supporto è costituita da una base di grafite rivestita di SiC.
Come componente fondamentale, il substrato di grafite presenta un'elevata resistenza specifica e un modulo specifico, oltre a una buona resistenza agli shock termici e alla corrosione. Tuttavia, durante la produzione, la grafite è soggetta a corrosione e distacco di polvere a causa di gas corrosivi e composti organometallici residui, riducendo significativamente la durata del substrato. Allo stesso tempo, la polvere di grafite distaccata può contaminare i chip. Nella produzione di wafer epitassiali di carburo di silicio, è diventato sempre più difficile soddisfare i requisiti sempre più stringenti per i materiali in grafite, limitandone gravemente lo sviluppo e l'applicazione pratica. Di conseguenza,tecnologia di rivestimentoè emersa come una soluzione.
Vantaggi dei rivestimenti in SiC nell'industria dei semiconduttori
Le proprietà fisiche e chimiche dei rivestimenti devono soddisfare rigorosi requisiti di resistenza alle alte temperature e alla corrosione, poiché questi fattori influiscono direttamente sulla resa e sulla durata del prodotto. Il materiale SiC possiede elevata resistenza, elevata durezza, un basso coefficiente di dilatazione termica ed eccellente conduttività termica, caratteristiche che lo rendono un materiale strutturale e semiconduttore fondamentale per applicazioni ad alta temperatura. Se applicato a substrati di grafite, i suoi vantaggi includono:
1) Il SiC è resistente alla corrosione e può incapsulare completamente il substrato di grafite. La sua elevata densità previene i danni causati dai gas corrosivi.
2) Il SiC ha un'elevata conduttività termica e una forte forza di adesione con il substrato di grafite, garantendo che il rivestimento rimanga intatto anche dopo ripetuti cicli di temperature alte e basse.
3) Il SiC possiede un'eccellente stabilità chimica, che previene il deterioramento del rivestimento in atmosfere corrosive e ad alta temperatura.
Inoltre, i forni epitassiali realizzati con materiali diversi richiedono vassoi in grafite con specifiche prestazioni particolari. Il coefficiente di dilatazione termica della grafite deve essere compatibile con la temperatura di crescita del forno epitassiale. Ad esempio, poiché la temperatura di crescita per l'epitassia del carburo di silicio è elevata, sono necessari vassoi con un elevato grado di corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica. Il coefficiente di dilatazione termica del SiC differisce molto poco da quello della grafite, il che lo rende il materiale preferito per il rivestimento della superficie dei substrati di grafite.
Il SiC esiste in diverse forme cristalline, le più comuni delle quali sono attualmente i tipi 3C, 4H e 6H, ognuna delle quali trova applicazione in un ambito diverso. Ad esempio, il 4H-SiC viene utilizzato per la produzione di dispositivi ad alta potenza; il 6H-SiC è il più stabile e viene impiegato nella produzione di dispositivi optoelettronici; e il 3C-SiC, grazie alla sua somiglianza strutturale con il GaN, viene utilizzato per produrre strati epitassiali di GaN per la fabbricazione di dispositivi RF SiC-GaN. Il 3C-SiC è anche comunemente chiamato β-SiC. Un'applicazione chiave del β-SiC è come materiale per film sottili e rivestimenti; di conseguenza, il β-SiC è attualmente il materiale principale utilizzato per i rivestimenti.
I rivestimenti in SiC, un materiale di consumo comune nella produzione di semiconduttori, sono utilizzati principalmente in processi quali la preparazione del substrato, l'epitassia, l'ossidazione e la diffusione, l'incisione e l'impiantazione ionica. Le proprietà fisiche e chimiche del rivestimento devono soddisfare rigorosi requisiti di resistenza alle alte temperature e alla corrosione, poiché questi fattori influiscono direttamente sulla resa e sulla durata del prodotto. Di conseguenza, la preparazione dei rivestimenti in SiC è di fondamentale importanza.
Procedimento per la preparazione di rivestimenti in carburo di silicio
Attualmente, i principali metodi per la preparazione di rivestimenti in SiC includono il metodo sol-gel, il metodo di inglobamento, la verniciatura a pennello, la spruzzatura al plasma, la reazione chimica in fase vapore (CVR) e la deposizione chimica in fase vapore (CVD).
Metodo di incorporamento
Questo metodo è un tipo di sinterizzazione allo stato solido ad alta temperatura. Utilizza principalmente una miscela di polvere di silicio (Si) e polvere di carbonio (C) come polvere di inglobamento. Un substrato di grafite viene posizionato all'interno della polvere di inglobamento e sinterizzato ad alte temperature in atmosfera di gas inerte, formando infine un rivestimento di SiC sulla superficie del substrato di grafite. Questo metodo presenta un processo semplice e una buona adesione tra il rivestimento e il substrato; tuttavia, il rivestimento mostra una scarsa uniformità lungo la direzione dello spessore ed è soggetto alla formazione di numerosi pori, con conseguente scarsa resistenza all'ossidazione.
Metodo di rivestimento a pennello
Il metodo di rivestimento a pennello prevede principalmente l'applicazione di materia prima liquida sulla superficie del substrato di grafite, seguita dalla polimerizzazione del materiale a una temperatura specifica per formare il rivestimento. Questo metodo è semplice ed economico; tuttavia, il rivestimento risultante presenta una scarsa adesione al substrato, una scarsa uniformità ed è relativamente sottile con una bassa resistenza all'ossidazione, rendendo necessari metodi supplementari.
Metodo di spruzzatura al plasma
Il metodo di spruzzatura al plasma prevede l'utilizzo di una pistola al plasma per spruzzare materiale grezzo fuso o semifuso sulla superficie del substrato di grafite, che successivamente si solidifica e si lega formando un rivestimento. Questo metodo è semplice da utilizzare e può produrre rivestimenti di carburo di silicio relativamente densi; tuttavia, i rivestimenti risultanti sono spesso troppo sottili, con conseguente scarsa resistenza all'ossidazione. Pertanto, viene generalmente utilizzato nella preparazione di rivestimenti compositi di SiC per migliorarne la qualità.
Metodo Gel-Sol
Il metodo gel-sol prevede principalmente la preparazione di una soluzione sol uniforme e trasparente per rivestire la superficie del substrato. Dopo l'essiccazione in gel, il materiale viene sinterizzato per formare il rivestimento. Questo metodo è semplice da utilizzare e relativamente economico; tuttavia, i rivestimenti risultanti presentano degli svantaggi, come la scarsa resistenza agli shock termici e la tendenza a fessurarsi, il che ne limita l'ampia applicazione.
Metodo di reazione chimica in fase vapore (CVR)
Il processo CVR utilizza principalmente polveri di Si e SiO₂ per generare vapore di SiO₂ ad alte temperature, innescando una serie di reazioni chimiche sulla superficie del substrato di Si per formare un rivestimento di SiC. Il rivestimento di SiC prodotto con questo metodo aderisce saldamente al substrato; tuttavia, la temperatura di reazione è elevata e anche il costo è relativamente alto.
Deposizione chimica da fase vapore (CVD)
Attualmente, la tecnologia CVD (deposizione chimica da fase vapore) è la principale per la preparazione di rivestimenti in SiC su superfici di substrato. Il processo principale prevede una serie di reazioni fisico-chimiche tra reagenti gassosi e la superficie del substrato, che portano alla deposizione di un rivestimento in SiC. I rivestimenti in SiC prodotti con la tecnologia CVD aderiscono saldamente alla superficie del substrato e possono migliorare efficacemente la resistenza all'ossidazione e all'ablazione del materiale del substrato; tuttavia, questo metodo richiede tempi di deposizione relativamente lunghi e i gas di reazione contengono alcuni componenti tossici.
Tendenze nei rivestimenti in SiC
I rivestimenti in SiC sono utilizzati principalmente come materiali di consumo nella produzione di semiconduttori, con parametri prestazionali chiave che includono l'uniformità del rivestimento, il coefficiente di dilatazione termica e la conduttività termica. Sebbene in Cina vi sia una significativa domanda interna di rivestimenti in SiC, la tecnologia è ancora immatura. All'estero, solo un'azienda statunitense opera in questo settore e i suoi prodotti sono relativamente costosi.
Barche di cristallosono materiali di consumo utilizzati nella produzione epitassiale che possono sostituire la grafite rivestita di SiC, sebbene il volume di mercato sia piccolo. Successivamente c'è la grafite rivestita di TaC, che offre una migliore resistenza alla corrosione chimica rispetto alla grafite nuda o alla grafite rivestita di SiC, ma è proibitivamente costosa ed è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Attualmente, aziende nazionali comeSemiconduttore Liufang, Semicera, EVetek Semiconductorsono impegnati in attività di ricerca e sviluppo in questo settore.
Data di pubblicazione: 20 maggio 2026