ეპიტაქსიური ფენა არის სპეციფიკური ერთკრისტალური თხელი ფენა, რომელიც იზრდება ვაფლის სუბსტრატზე ეპიტაქსიური პროცესით; სუბსტრატის ვაფლი და ეპიტაქსიური ფენა ერთობლივად მოიხსენიება, როგორც ეპიტაქსიური ვაფლი. მათ შორის, სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიური ფენის გამტარ სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატზე გაზრდა წარმოქმნის ერთგვაროვან სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიურ ვაფლს, რომლის დამზადებაც შემდგომში შესაძლებელია ისეთი ენერგომოწყობილობების დასამზადებლად, როგორიცაა შოტკის დიოდები, MOSFET-ები და IGBT-ები. ყველაზე ფართოდ გამოყენებული სუბსტრატის ტიპია 4H-SiC სუბსტრატი.
ვინაიდან პრაქტიკულად ყველა მოწყობილობა ეპიტაქსიურ ფენებზეა დამზადებული, ეპიტაქსიური ფენის ხარისხს მნიშვნელოვანი გავლენა აქვს მოწყობილობის მუშაობაზე. თუმცა, ეპიტაქსიური ფენის ხარისხზე გავლენას ახდენს კრისტალისა და სუბსტრატის დამუშავება, რაც მას ინდუსტრიის კრიტიკულ ეტაპზე აყენებს და გადამწყვეტ როლს ასრულებს მის განვითარებაში.
სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიური ფენების მომზადების ძირითადი მეთოდებია: ორთქლის დეპონირება; თხევადი ფაზის ეპიტაქსია (LPE); მოლეკულური სხივური ეპიტაქსია (MBE); და ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD). მათ შორის, ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD) 4H-SiC ერთგვაროვანი ეპიტაქსიის ყველაზე ფართოდ გამოყენებული მეთოდია. 4H-SiC CVD ეპიტაქსია, როგორც წესი, იყენებს CVD აღჭურვილობას, რომელიც უზრუნველყოფს 4H-SiC კრისტალური სტრუქტურის უწყვეტობას მაღალი ზრდის ტემპერატურის პირობებში.
კარდიოვასკულური დინების აპარატურაში, სუბსტრატის პირდაპირ ლითონის ზედაპირზე განთავსება ან უბრალოდ ეპიტაქსიური დეპონირებისთვის ბაზაზე განთავსება შეუძლებელია, რადგან ეს მოიცავს სხვადასხვა გავლენის ფაქტორებს, როგორიცაა გაზის ნაკადის მიმართულება (ჰორიზონტალური, ვერტიკალური), ტემპერატურა, წნევა, ფიქსაცია და ნაწილაკების მოცილებით გამოწვეული დაბინძურება. ამიტომ, საჭიროა საყრდენი ბაზა; სუბსტრატი თავსდება უჯრაზე და შემდეგ ეპიტაქსიური დეპონირება ხორციელდება სუბსტრატზე კარდიოვასკულური დინების ტექნოლოგიის გამოყენებით. ეს საყრდენი ბაზა არის SiC-ით დაფარული გრაფიტის ბაზა.
როგორც ძირითადი კომპონენტი, გრაფიტის სუბსტრატს ახასიათებს მაღალი სპეციფიკური სიმტკიცე და სპეციფიკური მოდული, ასევე კარგი თერმული დარტყმისა და კოროზიისადმი მდგრადობა. თუმცა, წარმოების დროს, გრაფიტი ექვემდებარება კოროზიას და ფხვნილის გამოყოფას კოროზიული აირებისა და ნარჩენი ორგანომეტალური ნაერთების გამო, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს სუბსტრატის მომსახურების ვადას. ამავდროულად, გამოყოფილ გრაფიტის ფხვნილს შეუძლია ჩიპების დაბინძურება. სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიური ვაფლების წარმოებისას სულ უფრო რთული ხდება გრაფიტის მასალებისადმი მუდმივად მკაცრი მოთხოვნების დაკმაყოფილება, რაც მნიშვნელოვნად ზღუდავს მათ განვითარებას და პრაქტიკულ გამოყენებას. შესაბამისად,საფარის ტექნოლოგიაგამოსავლის სახით გამოჩნდა.
SiC საფარის უპირატესობები ნახევარგამტარული ინდუსტრიაში
საფარის ფიზიკური და ქიმიური თვისებები უნდა აკმაყოფილებდეს მაღალი ტემპერატურისა და კოროზიისადმი მდგრადობის მკაცრ მოთხოვნებს, რადგან ეს პირდაპირ გავლენას ახდენს პროდუქტის მოსავლიანობასა და სიცოცხლის ხანგრძლივობაზე. SiC მასალას აქვს მაღალი სიმტკიცე, მაღალი სიმტკიცე, თერმული გაფართოების დაბალი კოეფიციენტი და შესანიშნავი თბოგამტარობა, რაც მას კრიტიკულად მნიშვნელოვან მაღალტემპერატურულ სტრუქტურულ და ნახევარგამტარულ მასალად აქცევს. გრაფიტის სუბსტრატებზე გამოყენებისას, მისი უპირატესობებია:
1) SiC კოროზიისადმი მდგრადია და შეუძლია გრაფიტის სუბსტრატის სრულად დაფარვა. მისი მაღალი სიმკვრივე ხელს უშლის კოროზიული აირებისგან დაზიანებას.
2) SiC-ს აქვს მაღალი თბოგამტარობა და გრაფიტის სუბსტრატთან ძლიერი შეკავშირების სიმტკიცე, რაც უზრუნველყოფს საფარის ხელუხლებელ შენარჩუნებას მაღალი-დაბალი ტემპერატურის განმეორებითი ციკლების შემდეგაც კი.
3) SiC-ს გააჩნია შესანიშნავი ქიმიური სტაბილურობა, რაც ხელს უშლის საფარის დაზიანებას მაღალ ტემპერატურაზე, კოროზიულ ატმოსფეროში.
გარდა ამისა, სხვადასხვა მასალისგან დამზადებულ ეპიტაქსიურ ღუმელებს სჭირდებათ გრაფიტის უჯრები სპეციფიკური მახასიათებლებით. გრაფიტის მასალის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი თავსებადი უნდა იყოს ეპიტაქსიური ღუმელის ზრდის ტემპერატურასთან. მაგალითად, რადგან სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიის ზრდის ტემპერატურა მაღალია, საჭიროა უჯრები თერმული გაფართოების კოეფიციენტის მაღალი ხარისხის შესაბამისობით. SiC-ის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ძალიან მცირედ განსხვავდება გრაფიტისგან, რაც მას გრაფიტის სუბსტრატების ზედაპირის დასაფარად სასურველ მასალად აქცევს.
SiC არსებობს მრავალი კრისტალური ფორმით, რომელთაგან ყველაზე გავრცელებული ამჟამად არის 3C, 4H და 6H ტიპები, რომელთაგან თითოეული ემსახურება სხვადასხვა დანიშნულებას. მაგალითად, 4H-SiC გამოიყენება მაღალი სიმძლავრის მოწყობილობების დასამზადებლად; 6H-SiC ყველაზე სტაბილურია და გამოიყენება ოპტოელექტრონული მოწყობილობების დასამზადებლად; ხოლო 3C-SiC, GaN-თან სტრუქტურული მსგავსების გამო, გამოიყენება GaN ეპიტაქსიური ფენების დასამზადებლად SiC-GaN RF მოწყობილობების დასამზადებლად. 3C-SiC ასევე ხშირად მოიხსენიება, როგორც β-SiC. β-SiC-ის ძირითადი გამოყენებაა თხელი ფირის და საფარის მასალის სახით; შესაბამისად, β-SiC ამჟამად საფარის დასამზადებლად გამოყენებული ძირითადი მასალაა.
ნახევარგამტარების წარმოებაში გავრცელებული სახარჯი მასალის სახით, SiC საფარები ძირითადად გამოიყენება ისეთ პროცესებში, როგორიცაა სუბსტრატის მომზადება, ეპიტაქსია, დაჟანგვა და დიფუზია, გრავირება და იონური იმპლანტაცია. საფარის ფიზიკური და ქიმიური თვისებები უნდა აკმაყოფილებდეს მაღალი ტემპერატურისა და კოროზიისადმი მდგრადობის მკაცრ მოთხოვნებს, რადგან ეს პირდაპირ გავლენას ახდენს პროდუქტის მოსავლიანობასა და სიცოცხლის ხანგრძლივობაზე. შესაბამისად, SiC საფარების მომზადება კრიტიკულად მნიშვნელოვანია.
სილიკონის კარბიდის საფარის მომზადების პროცესი
ამჟამად, SiC საფარის მომზადების ძირითადი მეთოდებია სოლ-გელის მეთოდი, ჩასმის მეთოდი, ფუნჯით დაფარვა, პლაზმური შესხურება, ქიმიური ორთქლის რეაქცია (CVR) და ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD).
ჩასმის მეთოდი
ეს მეთოდი მაღალტემპერატურული მყარი მდგომარეობის სინთეზირების ერთ-ერთი სახეობაა. იგი ძირითადად იყენებს სილიციუმის (Si) ფხვნილისა და ნახშირბადის (C) ფხვნილის ნარევს ჩასაშენებელ ფხვნილად. გრაფიტის სუბსტრატი თავსდება ჩასაშენებელ ფხვნილში და ისინთეზება მაღალ ტემპერატურაზე ინერტული აირის ატმოსფეროში, საბოლოოდ კი გრაფიტის სუბსტრატის ზედაპირზე წარმოიქმნება SiC საფარი. ეს მეთოდი ხასიათდება მარტივი პროცესით და კარგი ადჰეზიით საფარსა და სუბსტრატს შორის; თუმცა, საფარი ავლენს სუსტ ერთგვაროვნებას სისქის მიმართულებით და მიდრეკილია მრავალი ფორის წარმოქმნისკენ, რაც იწვევს დაჟანგვისადმი სუსტ მდგრადობას.
ფუნჯით დაფარვის მეთოდი
ფუნჯით დაფარვის მეთოდი ძირითადად გულისხმობს თხევადი ნედლეულის გრაფიტის სუბსტრატის ზედაპირზე წასმას, რასაც მოჰყვება მასალის გაშრობა კონკრეტულ ტემპერატურაზე საფარის წარმოსაქმნელად. ეს მეთოდი მარტივი და ეკონომიურია; თუმცა, შედეგად მიღებულ საფარს ახასიათებს სუბსტრატზე სუსტი ადჰეზია, ცუდი ერთგვაროვნება და შედარებით თხელია დაჟანგვისადმი დაბალი წინააღმდეგობა, რაც დამატებით მეთოდებს საჭიროებს.
პლაზმური შესხურების მეთოდი
პლაზმური შესხურების მეთოდი გულისხმობს პლაზმური პისტოლეტის გამოყენებით გამდნარი ან ნახევრად გამდნარი ნედლეულის შესხურებას გრაფიტის სუბსტრატის ზედაპირზე, რომელიც შემდეგ მყარდება და უკავშირდება საფარის წარმოქმნას. ეს მეთოდი მარტივი გამოსაყენებელია და შეიძლება შედარებით მკვრივი სილიციუმის კარბიდის საფარის წარმოება; თუმცა, შედეგად მიღებული საფარი ხშირად ძალიან თხელია, რაც იწვევს დაჟანგვისადმი დაბალ მდგრადობას. ამიტომ, ის ზოგადად გამოიყენება SiC კომპოზიტური საფარის მომზადებაში საფარის ხარისხის გასაუმჯობესებლად.
გელ-სოლის მეთოდი
გელ-სოლის მეთოდი ძირითადად გულისხმობს ერთგვაროვანი, გამჭვირვალე სოლი-ხსნარის მომზადებას სუბსტრატის ზედაპირის დასაფარად. გელად გაშრობის შემდეგ, მასალა იწარმოება საფარის წარმოსაქმნელად სინთეზირებით. ეს მეთოდი მარტივი გამოსაყენებელია და შედარებით იაფია; თუმცა, მიღებულ საფარებს აქვთ ისეთი ნაკლოვანებები, როგორიცაა თერმული შოკის დაბალი წინააღმდეგობა და ბზარების გაჩენის ტენდენცია, რაც ზღუდავს მათ ფართო გამოყენებას.
ქიმიური ორთქლის რეაქციის (CVR) მეთოდი
CVR ძირითადად იყენებს Si და SiO₂ ფხვნილებს მაღალ ტემპერატურაზე SiO₂ ორთქლის გენერირებისთვის, რაც იწვევს Si სუბსტრატის ზედაპირზე ქიმიური რეაქციების სერიას SiC საფარის წარმოქმნის მიზნით. ამ მეთოდით მიღებული SiC საფარი მჭიდროდ ეკვრება სუბსტრატს; თუმცა, რეაქციის ტემპერატურა მაღალია და ღირებულებაც შედარებით მაღალია.
ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD)
ამჟამად, CVD წარმოადგენს სუბსტრატის ზედაპირებზე SiC საფარის მომზადების ძირითად ტექნოლოგიას. ძირითადი პროცესი მოიცავს აირისებრ რეაქტანტებსა და სუბსტრატის ზედაპირს შორის ფიზიკურ-ქიმიური რეაქციების სერიას, რაც საბოლოოდ იწვევს SiC საფარის დალექვას. CVD ტექნოლოგიით წარმოებული SiC საფარი მჭიდროდ ეკვრება სუბსტრატის ზედაპირს და შეუძლია ეფექტურად გააუმჯობესოს სუბსტრატის მასალის დაჟანგვისა და აბლაციისადმი მდგრადობა; თუმცა, ეს მეთოდი მოითხოვს შედარებით ხანგრძლივ დალექვის დროს და რეაქციის აირები შეიცავს გარკვეულ ტოქსიკურ კომპონენტებს.
SiC საფარების ტენდენციები
SiC საფარები ძირითადად გამოიყენება ნახევარგამტარების წარმოებაში სახარჯო მასალის სახით, ძირითადი მაჩვენებლებით, მათ შორის საფარის ერთგვაროვნება, თერმული გაფართოების კოეფიციენტი და თბოგამტარობა. მიუხედავად იმისა, რომ ჩინეთში SiC საფარებზე მნიშვნელოვანი შიდა მოთხოვნაა, ტექნოლოგია ჯერ კიდევ დაუმუშავებელია. საზღვარგარეთ ამ სფეროში მხოლოდ ერთი აშშ კომპანია მოქმედებს და მისი პროდუქცია შედარებით ძვირია.
ბროლის ნავებიეპიტაქსიურ წარმოებაში გამოყენებული სახარჯი მასალებია, რომლებსაც შეუძლიათ SiC-ით დაფარული გრაფიტის ჩანაცვლება, თუმცა ბაზრის მოცულობა მცირეა. შემდეგია TaC-ით დაფარული გრაფიტი, რომელიც უკეთეს ქიმიურ კოროზიისადმი მდგრადობას გვთავაზობს, ვიდრე შიშველი გრაფიტი ან SiC-ით დაფარული გრაფიტი, მაგრამ ის ძალიან ძვირია და ჯერ კიდევ განვითარების ადრეულ ეტაპზეა. ამჟამად, ისეთი ადგილობრივი კომპანიები, როგორიცააLiufang ნახევარგამტარი, სემიკერადავეტეკ ნახევარგამტარიამ სფეროში კვლევასა და განვითარებაში არიან ჩართულნი.
გამოქვეყნების დრო: 20 მაისი-2026