エピタキシャル層とは、エピタキシャル成長プロセスによってウェハ基板上に形成された特定の単結晶薄膜のことです。基板ウェハとエピタキシャル膜を合わせてエピタキシャルウェハと呼びます。中でも、導電性炭化ケイ素基板上に炭化ケイ素エピタキシャル層を成長させることで、均質な炭化ケイ素エピタキシャルウェハが得られ、これをショットキーダイオード、MOSFET、IGBTなどのパワーデバイスに加工することができます。最も広く用いられている基板は4H-SiC基板です。
ほぼすべてのデバイスはエピタキシャル層上に作製されるため、エピタキシャル層の品質はデバイス性能に大きな影響を与えます。しかし、エピタキシャル層の品質は結晶および基板の加工プロセスによって左右されるため、業界において極めて重要な位置を占め、その発展に不可欠な役割を担っています。
炭化ケイ素エピタキシャル層を作製する主な方法としては、蒸着法、液相エピタキシー法（LPE）、分子線エピタキシー法（MBE）、化学気相成長法（CVD）などがある。中でも、化学気相成長法（CVD）は、4H-SiCの均質なエピタキシャル成長に最も広く用いられている方法である。4H-SiCのCVDエピタキシャル成長では、通常CVD装置が用いられ、高温成長下でも4H-SiC結晶構造の連続性が確保される。
CVD装置では、基板を金属表面に直接置いたり、単に基板上に置いたりしてエピタキシャル成長を行うことはできません。これは、ガス流の方向（水平、垂直）、温度、圧力、固定、剥離粒子による汚染など、さまざまな影響要因が関係するためです。そのため、支持基板が必要となります。基板をトレイ上に置き、CVD技術を用いて基板上にエピタキシャル成長を行います。この支持基板は、SiCコーティングされたグラファイト基板です。
コアコンポーネントであるグラファイト基板は、高い比強度と比弾性率、優れた耐熱衝撃性と耐腐食性を備えています。しかし、製造過程では、腐食性ガスや残留有機金属化合物によってグラファイトが腐食し、粉末が剥離するため、基板の寿命が著しく短くなります。同時に、剥離したグラファイト粉末がチップを汚染する可能性もあります。炭化ケイ素エピタキシャルウェーハの製造においては、グラファイト材料に対するますます厳しくなる要求を満たすことがますます困難になり、その開発と実用化が著しく制限されています。したがって、コーティング技術解決策として浮上した。
半導体産業におけるSiCコーティングの利点
コーティングの物理的および化学的特性は、高温耐性および耐腐食性に関する厳しい要件を満たす必要があります。これらは製品の歩留まりと寿命に直接影響するためです。SiC材料は、高強度、高硬度、低熱膨張係数、および優れた熱伝導性を備えているため、重要な高温構造材料および半導体材料となっています。グラファイト基板に適用した場合、以下のような利点があります。
1) SiCは耐腐食性に優れ、グラファイト基板を完全に覆うことができます。その高密度性により、腐食性ガスによる損傷を防ぎます。
2) SiCは熱伝導率が高く、グラファイト基板との結合強度も強いため、高温と低温のサイクルを繰り返してもコーティングが損傷しない。
3) SiCは優れた化学的安定性を持ち、高温や腐食性の雰囲気下でもコーティングの劣化を防ぎます。
さらに、異なる材料で作られたエピタキシャル炉には、特定の性能仕様を満たすグラファイトトレイが必要です。グラファイト材料の熱膨張係数は、エピタキシャル炉の成長温度と適合していなければなりません。例えば、炭化ケイ素のエピタキシャル成長温度は高いため、熱膨張係数の適合度が高いトレイが求められます。SiCの熱膨張係数はグラファイトの熱膨張係数とほとんど変わらないため、グラファイト基板の表面をコーティングする材料として最適です。
SiCは複数の結晶形態で存在し、現在最も一般的なのは3C、4H、6H型で、それぞれ異なる用途に使用されています。例えば、4H-SiCは高出力デバイスの製造に使用され、6H-SiCは最も安定しており、光電子デバイスの製造に使用されます。また、3C-SiCはGaNと構造的に類似しているため、SiC-GaN RFデバイスの製造用のGaNエピタキシャル層の製造に使用されます。3C-SiCはβ-SiCとも呼ばれます。β-SiCの重要な用途は薄膜およびコーティング材料としてであり、そのためβ-SiCは現在、コーティングに使用されている主要な材料となっています。
半導体製造における一般的な消耗品であるSiCコーティングは、主に基板準備、エピタキシャル成長、酸化・拡散、エッチング、イオン注入などの工程で使用されます。コーティングの物理的・化学的特性は、耐高温性および耐腐食性に関する厳しい要件を満たす必要があり、これらは製品の歩留まりと寿命に直接影響します。したがって、SiCコーティングの準備は非常に重要です。
炭化ケイ素コーティングの製造方法
現在、SiCコーティングを作製するための主な方法としては、ゾルゲル法、埋め込み法、ブラシコーティング法、プラズマスプレー法、化学気相反応法（CVR）、化学気相堆積法（CVD）などが挙げられる。
埋め込み方法
この方法は高温固相焼結の一種です。主にシリコン（Si）粉末とカーボン（C）粉末の混合物を埋め込み粉末として使用します。グラファイト基板をこの埋め込み粉末の中に配置し、不活性ガス雰囲気中で高温焼結することで、グラファイト基板表面にSiCコーティングを形成します。この方法は、工程が簡便でコーティングと基板との密着性が良好であるという特徴がありますが、コーティングの厚さ方向の均一性が低く、多数の気孔が発生しやすいため、耐酸化性が低いという欠点があります。
刷毛塗り方法
ブラシコーティング法は、主に液状の原料をグラファイト基材の表面に塗布し、特定の温度で硬化させてコーティングを形成する方法である。この方法は簡便で費用対効果が高いが、得られるコーティングは基材への密着性が弱く、均一性に欠け、比較的薄く、耐酸化性も低いため、補助的な方法が必要となる。
プラズマスプレー法
プラズマ溶射法は、プラズマガンを用いて溶融または半溶融状態の原料をグラファイト基板表面に噴射し、それが固化・結合してコーティングを形成する方法です。この方法は操作が簡単で、比較的密度の高い炭化ケイ素コーティングを形成できますが、得られるコーティングが薄すぎるため、耐酸化性が低いという欠点があります。そのため、一般的には、コーティング品質を向上させる目的で、SiC複合コーティングの製造に用いられます。
ゲルゾル法
ゲルゾル法は、主に均一で透明なゾル溶液を調製し、基材表面をコーティングする工程から成ります。ゲル状に乾燥した後、焼結することでコーティングを形成します。この方法は操作が簡単で比較的低コストですが、得られるコーティングは耐熱衝撃性が低く、ひび割れしやすいといった欠点があり、その普及を制限しています。
化学気相反応（CVR）法
CVRは主にSiとSiO₂粉末を用いて高温でSiO₂蒸気を発生させ、Si基板表面で一連の化学反応を起こさせてSiCコーティングを形成する。この方法で製造されたSiCコーティングは基板にしっかりと密着するが、反応温度が高く、コストも比較的高い。
化学気相成長法（CVD）
CVDは現在、基板表面にSiCコーティングを形成するための主要な技術である。主なプロセスは、気体反応物と基板表面との一連の物理化学反応であり、最終的にSiCコーティングの堆積をもたらす。CVD技術によって製造されたSiCコーティングは基板表面にしっかりと密着し、基板材料の耐酸化性および耐アブレーション性を効果的に向上させることができる。しかしながら、この方法は比較的長い堆積時間を要し、反応ガスには有毒な成分が含まれている。
SiCコーティングの動向
SiCコーティングは主に半導体製造における消耗品として使用され、コーティングの均一性、熱膨張係数、熱伝導率などが重要な性能指標となる。中国国内ではSiCコーティングに対する需要は大きいものの、技術はまだ未成熟である。海外では、この分野で事業を展開している米国企業は1社のみであり、その製品は比較的高価である。
クリスタルボートこれらはエピタキシャル製造で使用される消耗品であり、SiCコーティンググラファイトの代替品となり得るが、市場規模は小さい。次にTaCコーティンググラファイトがあり、これは裸のグラファイトやSiCコーティンググラファイトよりも優れた耐薬品性を提供するが、非常に高価であり、まだ開発の初期段階にある。現在、国内企業としては、六芳半導体, セミケラ、 そしてVetek Semiconductorこの分野の研究開発に従事している。
投稿日時：2026年5月20日