Epitaksiālais slānis ir īpaša monokristāla plāna plēve, kas tiek audzēta uz vafeļu substrāta, izmantojot epitaksiālo procesu; substrāta vafeļu un epitaksiālo plēvi kopā sauc par epitaksiālo vafeļu. Starp tiem, izaudzējot silīcija karbīda epitaksiālo slāni uz vadoša silīcija karbīda substrāta, tiek iegūta homogēna silīcija karbīda epitaksiālā vafeļu plāksne, ko var tālāk pārstrādāt jaudas ierīcēs, piemēram, Šotki diodēs, MOSFET un IGBT. Visplašāk izmantotais substrāta veids ir 4H-SiC substrāts.
Tā kā praktiski visas ierīces tiek izgatavotas uz epitaksiāliem slāņiem, epitaksiālā slāņa kvalitātei ir būtiska ietekme uz ierīces veiktspēju. Tomēr epitaksiālā slāņa kvalitāti ietekmē kristāla un substrāta apstrāde, kas to novieto kritiskā brīdī nozarē un tam ir izšķiroša loma tās attīstībā.
Galvenās silīcija karbīda epitaksiālo slāņu sagatavošanas metodes ir: tvaiku pārklāšana; šķidrfāzes epitaksija (LPE); molekulāro staru epitaksija (MBE); un ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD). Starp tām ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD) ir visplašāk izmantotā 4H-SiC homogēnās epitaksijas metode. 4H-SiC CVD epitaksijā parasti tiek izmantots CVD aprīkojums, kas nodrošina 4H-SiC kristāla struktūras nepārtrauktību augstās augšanas temperatūrās.
CVD iekārtās substrātu nevar novietot tieši uz metāla virsmas vai vienkārši novietot uz pamatnes epitaksiālai nogulsnēšanai, jo tas ietver dažādus ietekmējošus faktorus, piemēram, gāzes plūsmas virzienu (horizontālu, vertikālu), temperatūru, spiedienu, fiksāciju un piesārņojumu no atdalījušajām daļiņām. Tāpēc ir nepieciešama pamatne; substrāts tiek novietots uz paplātes, un pēc tam uz substrāta tiek veikta epitaksiāla nogulsnēšana, izmantojot CVD tehnoloģiju. Šī pamatne ir ar SiC pārklāta grafīta pamatne.
Kā galvenā sastāvdaļa grafīta substrātam ir augsta īpatnējā izturība un īpatnējais modulis, kā arī laba termiskā trieciena un korozijas izturība. Tomēr ražošanas laikā grafīts ir pakļauts korozijai un pulvera atdalīšanai korozīvo gāzu un atlikušo organometālisko savienojumu dēļ, kas ievērojami samazina substrāta kalpošanas laiku. Tajā pašā laikā atdalījušais grafīta pulveris var piesārņot mikroshēmas. Silīcija karbīda epitaksiālo plākšņu ražošanā kļūst arvien grūtāk izpildīt arvien stingrākās prasības grafīta materiāliem, kas ievērojami ierobežo to izstrādi un praktisko pielietojumu. Līdz ar to,pārklājuma tehnoloģijair parādījies kā risinājums.
SiC pārklājumu priekšrocības pusvadītāju rūpniecībā
Pārklājumu fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām jāatbilst stingrām prasībām attiecībā uz izturību pret augstu temperatūru un koroziju, jo tās tieši ietekmē produkta ražu un kalpošanas laiku. SiC materiālam ir augsta izturība, augsta cietība, zems termiskās izplešanās koeficients un lieliska siltumvadītspēja, padarot to par kritiski svarīgu augstas temperatūras strukturālu un pusvadītāju materiālu. Uzklājot uz grafīta substrātiem, tā priekšrocības ietver:
1) SiC ir izturīgs pret koroziju un var pilnībā iekapsulēt grafīta substrātu. Tā augstais blīvums novērš bojājumus, ko rada kodīgas gāzes.
2) SiC ir augsta siltumvadītspēja un spēcīga saķeres stiprība ar grafīta substrātu, nodrošinot, ka pārklājums paliek neskarts pat pēc atkārtotiem augstas un zemas temperatūras cikliem.
3) SiC piemīt lieliska ķīmiskā stabilitāte, kas novērš pārklājuma bojājumus augstas temperatūras, kodīgā vidē.
Turklāt epitaksiālajām krāsnīm, kas izgatavotas no dažādiem materiāliem, ir nepieciešamas grafīta paplātes ar īpašām veiktspējas specifikācijām. Grafīta materiāla termiskās izplešanās koeficientam jābūt saderīgam ar epitaksiālās krāsns augšanas temperatūru. Piemēram, tā kā silīcija karbīda epitaksijas augšanas temperatūra ir augsta, ir nepieciešamas paplātes ar augstu termiskās izplešanās koeficienta atbilstības pakāpi. SiC termiskās izplešanās koeficients ļoti maz atšķiras no grafīta termiskās izplešanās koeficienta, padarot to par vēlamo materiālu grafīta substrātu virsmas pārklāšanai.
SiC pastāv vairākās kristālu formās, un pašlaik visizplatītākie ir 3C, 4H un 6H veidi, katram no tiem ir atšķirīgs pielietojums. Piemēram, 4H-SiC tiek izmantots augstas jaudas ierīču ražošanā; 6H-SiC ir visstabilākais un tiek izmantots optoelektronisko ierīču ražošanā; un 3C-SiC, pateicoties tā strukturālajai līdzībai ar GaN, tiek izmantots GaN epitaksiālo slāņu ražošanai SiC-GaN RF ierīču ražošanai. 3C-SiC parasti sauc arī par β-SiC. Galvenais β-SiC pielietojums ir kā plānslāņa un pārklājuma materiāls; līdz ar to β-SiC pašlaik ir galvenais pārklājumiem izmantotais materiāls.
Kā bieži sastopams palīgmateriāls pusvadītāju ražošanā, SiC pārklājumi galvenokārt tiek izmantoti tādos procesos kā substrātu sagatavošana, epitaksija, oksidēšana un difūzija, kodināšana un jonu implantācija. Pārklājuma fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām jāatbilst stingrām prasībām attiecībā uz izturību pret augstu temperatūru un izturību pret koroziju, jo tās tieši ietekmē produkta ražu un kalpošanas laiku. Līdz ar to SiC pārklājumu sagatavošana ir kritiski svarīga.
Silīcija karbīda pārklājumu sagatavošanas process
Pašlaik galvenās SiC pārklājumu sagatavošanas metodes ir sol-gēla metode, iestrādāšanas metode, otu uzklāšana, plazmas izsmidzināšana, ķīmiskā tvaiku reakcija (CVR) un ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD).
Iegulšanas metode
Šī metode ir augstas temperatūras cietvielu sintēzes veids. Tajā galvenokārt tiek izmantots silīcija (Si) pulvera un oglekļa (C) pulvera maisījums kā iestrādāšanas pulveris. Grafīta substrāts tiek ievietots iestrādāšanas pulverī un augstā temperatūrā inertas gāzes atmosfērā tiek sinterēts, galu galā veidojot SiC pārklājumu uz grafīta substrāta virsmas. Šai metodei ir vienkāršs process un laba saķere starp pārklājumu un substrātu; tomēr pārklājumam ir slikta vienmērība biezuma virzienā un tas ir pakļauts daudzu poru veidošanās procesam, kā rezultātā ir slikta izturība pret oksidēšanos.
Otas pārklāšanas metode
Otas pārklāšanas metode galvenokārt ietver šķidra izejmateriāla uzklāšanu uz grafīta substrāta virsmas, kam seko materiāla sacietēšana noteiktā temperatūrā, lai izveidotu pārklājumu. Šī metode ir vienkārša un rentabla; tomēr iegūtajam pārklājumam ir vāja saķere ar substrātu, slikta vienmērība un tas ir relatīvi plāns ar zemu oksidēšanās izturību, kas rada nepieciešamību pēc papildu metodēm.
Plazmas izsmidzināšanas metode
Plazmas izsmidzināšanas metode ietver plazmas pistoles izmantošanu, lai izsmidzinātu izkausētu vai daļēji izkausētu izejvielu uz grafīta substrāta virsmas, kas pēc tam sacietē un saķeras, veidojot pārklājumu. Šī metode ir vienkārši lietojama un var radīt relatīvi blīvus silīcija karbīda pārklājumus; tomēr iegūtie pārklājumi bieži vien ir pārāk plāni, kā rezultātā ir slikta oksidēšanās izturība. Tāpēc to parasti izmanto SiC kompozītmateriālu pārklājumu sagatavošanā, lai uzlabotu pārklājuma kvalitāti.
Gel-Sol metode
Gela-zola metode galvenokārt ietver vienmērīga, caurspīdīga sola šķīduma sagatavošanu, lai pārklātu substrāta virsmu. Pēc žāvēšanas želejā materiāls tiek saķepināts, lai izveidotu pārklājumu. Šī metode ir vienkārši lietojama un salīdzinoši lēta; tomēr iegūtajiem pārklājumiem ir tādi trūkumi kā zema termiskā trieciena izturība un tendence plaisāt, kas ierobežo to plašu pielietojumu.
Ķīmiskās tvaiku reakcijas (CVR) metode
CVR galvenokārt izmanto Si un SiO₂ pulverus, lai augstā temperatūrā radītu SiO₂ tvaikus, izraisot virkni ķīmisku reakciju uz Si substrāta virsmas, veidojot SiC pārklājumu. Ar šo metodi iegūtais SiC pārklājums cieši saistās ar substrātu; tomēr reakcijas temperatūra ir augsta, un arī izmaksas ir salīdzinoši augstas.
Ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD)
CVD pašlaik ir galvenā tehnoloģija SiC pārklājumu izgatavošanai uz substrātu virsmām. Galvenais process ietver virkni fizikāli ķīmisku reakciju starp gāzveida reaģentiem un substrāta virsmu, kā rezultātā tiek nogulsnēts SiC pārklājums. Ar CVD tehnoloģiju iegūtie SiC pārklājumi cieši saistās ar substrāta virsmu un var efektīvi uzlabot substrāta materiāla oksidēšanās izturību un ablācijas izturību; tomēr šai metodei ir nepieciešams relatīvi ilgs nogulsnēšanās laiks, un reakcijas gāzes satur noteiktas toksiskas sastāvdaļas.
SiC pārklājumu tendences
SiC pārklājumus galvenokārt izmanto kā palīgmateriālus pusvadītāju ražošanā, un galvenie veiktspējas rādītāji ir pārklājuma vienmērīgums, termiskās izplešanās koeficients un siltumvadītspēja. Lai gan Ķīnā ir ievērojams iekšzemes pieprasījums pēc SiC pārklājumiem, šī tehnoloģija joprojām ir nenobriedusi. Ārzemēs šajā jomā darbojas tikai viens ASV uzņēmums, un tā produkti ir salīdzinoši dārgi.
Kristāla laivasir palīgmateriāli, ko izmanto epitaksiālajā ražošanā un kas var aizstāt ar SiC pārklātu grafītu, lai gan tirgus apjoms ir neliels. Nākamais ir ar TaC pārklāts grafīts, kas piedāvā labāku ķīmisko korozijas izturību nekā tīrs grafīts vai ar SiC pārklāts grafīts, taču tas ir pārāk dārgs un joprojām ir agrīnā attīstības stadijā. Pašlaik vietējie uzņēmumi, piemēram,Liufang pusvadītājs, SemiceraunVetek pusvadītājsir iesaistīti pētniecībā un attīstībā šajā jomā.
Publicēšanas laiks: 2026. gada 20. maijs