Lapisan epitaksial ialah filem nipis kristal tunggal khusus yang ditumbuhkan pada substrat wafer melalui proses epitaksial; wafer substrat dan filem epitaksial secara kolektif dirujuk sebagai wafer epitaksial. Antaranya, menumbuhkan lapisan epitaksial silikon karbida pada substrat silikon karbida konduktif menghasilkan wafer epitaksial silikon karbida homogen, yang boleh dibuat selanjutnya menjadi peranti kuasa seperti diod Schottky, MOSFET dan IGBT. Jenis substrat yang paling banyak digunakan ialah substrat 4H-SiC.
Memandangkan hampir semua peranti dibuat pada lapisan epitaksial, kualiti lapisan epitaksial mempunyai kesan yang ketara terhadap prestasi peranti. Walau bagaimanapun, kualiti lapisan epitaksial dipengaruhi oleh pemprosesan kristal dan substrat, meletakkannya pada titik kritikal dalam industri dan memainkan peranan penting dalam pembangunannya.
Kaedah utama untuk menyediakan lapisan epitaksi silikon karbida termasuk: pemendapan wap; epitaksi fasa cecair (LPE); epitaksi alur molekul (MBE); dan pemendapan wap kimia (CVD). Antaranya, pemendapan wap kimia (CVD) adalah kaedah yang paling banyak digunakan untuk epitaksi homogen 4H-SiC. Epitaksi CVD 4H-SiC biasanya menggunakan peralatan CVD, yang memastikan kesinambungan struktur kristal 4H-SiC di bawah suhu pertumbuhan yang tinggi.
Dalam peralatan CVD, substrat tidak boleh diletakkan terus pada permukaan logam atau hanya diletakkan di atas tapak untuk pemendapan epitaksial, kerana ini melibatkan pelbagai faktor yang mempengaruhi seperti arah aliran gas (mendatar, menegak), suhu, tekanan, fiksasi dan pencemaran daripada zarah yang tertumpah. Oleh itu, tapak sokongan diperlukan; substrat diletakkan di atas dulang dan pemendapan epitaksial kemudiannya dilakukan pada substrat menggunakan teknologi CVD. Tapak sokongan ini ialah tapak grafit bersalut SiC.
Sebagai komponen teras, substrat grafit mempunyai kekuatan spesifik dan modulus spesifik yang tinggi, serta rintangan kejutan haba dan kakisan yang baik. Walau bagaimanapun, semasa pengeluaran, grafit terdedah kepada kakisan dan penumpahan serbuk disebabkan oleh gas menghakis dan sebatian organologam sisa, sekali gus mengurangkan hayat perkhidmatan substrat dengan ketara. Pada masa yang sama, serbuk grafit yang ditumpahkan boleh mencemari cip. Dalam pengeluaran wafer epitaksi silikon karbida, semakin sukar untuk memenuhi keperluan yang semakin ketat untuk bahan grafit, sekali gus mengehadkan pembangunan dan aplikasi praktikalnya. Akibatnya,teknologi salutantelah muncul sebagai penyelesaian.
Kelebihan Salutan SiC dalam Industri Semikonduktor
Sifat fizikal dan kimia salutan mesti memenuhi keperluan ketat untuk rintangan suhu tinggi dan kakisan, kerana ini memberi kesan langsung kepada hasil dan jangka hayat produk. Bahan SiC mempunyai kekuatan tinggi, kekerasan yang tinggi, pekali pengembangan haba yang rendah dan kekonduksian haba yang sangat baik, menjadikannya bahan struktur dan semikonduktor suhu tinggi yang kritikal. Apabila digunakan pada substrat grafit, kelebihannya termasuk:
1) SiC tahan kakisan dan boleh merangkum sepenuhnya substrat grafit. Ketumpatannya yang tinggi menghalang kerosakan daripada gas menghakis.
2) SiC mempunyai kekonduksian terma yang tinggi dan kekuatan ikatan yang kuat dengan substrat grafit, memastikan salutan kekal utuh walaupun selepas kitaran suhu tinggi-rendah berulang.
3) SiC mempunyai kestabilan kimia yang sangat baik, mencegah kegagalan salutan dalam atmosfera menghakis suhu tinggi.
Tambahan pula, relau epitaksi yang diperbuat daripada bahan yang berbeza memerlukan dulang grafit dengan spesifikasi prestasi tertentu. Pekali pengembangan haba bahan grafit mesti serasi dengan suhu pertumbuhan relau epitaksi. Contohnya, memandangkan suhu pertumbuhan untuk epitaksi silikon karbida adalah tinggi, dulang dengan padanan pekali pengembangan haba yang tinggi diperlukan. Pekali pengembangan haba SiC sangat sedikit berbeza daripada grafit, menjadikannya bahan pilihan untuk menyalut permukaan substrat grafit.
SiC wujud dalam pelbagai bentuk kristal, dengan yang paling biasa pada masa ini ialah jenis 3C, 4H, dan 6H, setiap satunya memenuhi aplikasi yang berbeza. Contohnya, 4H-SiC digunakan untuk mengeluarkan peranti berkuasa tinggi; 6H-SiC adalah yang paling stabil dan digunakan untuk mengeluarkan peranti optoelektronik; dan 3C-SiC, disebabkan oleh persamaan strukturnya dengan GaN, digunakan untuk menghasilkan lapisan epitaksi GaN untuk pembuatan peranti RF SiC-GaN. 3C-SiC juga biasanya dirujuk sebagai β-SiC. Aplikasi utama β-SiC adalah sebagai bahan filem nipis dan salutan; oleh itu, β-SiC kini merupakan bahan utama yang digunakan untuk salutan.
Sebagai bahan habis pakai biasa dalam pengeluaran semikonduktor, salutan SiC digunakan terutamanya dalam proses seperti penyediaan substrat, epitaksi, pengoksidaan dan resapan, pengetsaan, dan implantasi ion. Sifat fizikal dan kimia salutan mesti memenuhi keperluan ketat untuk rintangan suhu tinggi dan rintangan kakisan, kerana ini memberi kesan langsung kepada hasil dan jangka hayat produk. Oleh itu, penyediaan salutan SiC adalah penting.
Proses untuk Menyediakan Salutan Silikon Karbida
Pada masa ini, kaedah utama untuk menyediakan salutan SiC termasuk kaedah sol-gel, kaedah pembenaman, salutan berus, penyemburan plasma, tindak balas wap kimia (CVR), dan pemendapan wap kimia (CVD).
Kaedah Penyematan
Kaedah ini merupakan sejenis pensinteran keadaan pepejal suhu tinggi. Ia terutamanya menggunakan campuran serbuk silikon (Si) dan serbuk karbon (C) sebagai serbuk pembenaman. Substrat grafit diletakkan di dalam serbuk pembenaman dan disinter pada suhu tinggi dalam atmosfera gas lengai, akhirnya membentuk salutan SiC pada permukaan substrat grafit. Kaedah ini mempunyai proses yang mudah dan lekatan yang baik antara salutan dan substrat; walau bagaimanapun, salutan menunjukkan keseragaman yang lemah di sepanjang arah ketebalan dan terdedah kepada pembentukan banyak liang, mengakibatkan rintangan pengoksidaan yang lemah.
Kaedah Salutan Berus
Kaedah salutan berus terutamanya melibatkan penggunaan bahan mentah cecair pada permukaan substrat grafit, diikuti dengan pengawetan bahan pada suhu tertentu untuk membentuk salutan. Kaedah ini mudah dan kos efektif; walau bagaimanapun, salutan yang terhasil menunjukkan lekatan yang lemah pada substrat, keseragaman yang lemah, dan agak nipis dengan rintangan pengoksidaan yang rendah, yang memerlukan kaedah tambahan.
Kaedah Penyemburan Plasma
Kaedah penyemburan plasma melibatkan penggunaan pistol plasma untuk menyembur bahan mentah cair atau separa cair ke atas permukaan substrat grafit, yang kemudiannya memejal dan terikat untuk membentuk salutan. Kaedah ini mudah dikendalikan dan boleh menghasilkan salutan silikon karbida yang agak padat; walau bagaimanapun, salutan yang terhasil selalunya terlalu nipis, yang membawa kepada rintangan pengoksidaan yang lemah. Oleh itu, ia biasanya digunakan dalam penyediaan salutan komposit SiC untuk meningkatkan kualiti salutan.
Kaedah Gel-Sol
Kaedah gel-sol terutamanya melibatkan penyediaan larutan sol yang seragam dan lutsinar untuk menyalut permukaan substrat. Selepas kering menjadi gel, bahan tersebut disinter untuk membentuk salutan. Kaedah ini mudah dikendalikan dan agak murah; walau bagaimanapun, salutan yang terhasil mengalami kelemahan seperti rintangan kejutan haba yang rendah dan kecenderungan untuk retak, sekali gus mengehadkan penggunaannya yang meluas.
Kaedah Tindak Balas Wap Kimia (CVR)
CVR terutamanya menggunakan serbuk Si dan SiO₂ untuk menghasilkan wap SiO₂ pada suhu tinggi, mencetuskan satu siri tindak balas kimia pada permukaan substrat Si untuk membentuk salutan SiC. Salutan SiC yang dihasilkan melalui kaedah ini terikat rapat pada substrat; walau bagaimanapun, suhu tindak balas adalah tinggi, dan kosnya juga agak tinggi.
Pemendapan Wap Kimia (CVD)
CVD kini merupakan teknologi utama untuk menyediakan salutan SiC pada permukaan substrat. Proses utama melibatkan satu siri tindak balas fizikokimia antara bahan tindak balas gas dan permukaan substrat, yang akhirnya menghasilkan pemendapan salutan SiC. Salutan SiC yang dihasilkan oleh teknologi CVD terikat rapat pada permukaan substrat dan boleh meningkatkan rintangan pengoksidaan dan rintangan ablasi bahan substrat dengan berkesan; walau bagaimanapun, kaedah ini memerlukan masa pemendapan yang agak lama, dan gas tindak balas mengandungi komponen toksik tertentu.
Trend dalam Salutan SiC
Salutan SiC digunakan terutamanya sebagai bahan habis pakai dalam pembuatan semikonduktor, dengan metrik prestasi utama termasuk keseragaman salutan, pekali pengembangan haba dan kekonduksian haba. Walaupun terdapat permintaan domestik yang ketara untuk salutan SiC di China, teknologi ini masih belum matang. Di luar negara, hanya satu syarikat AS yang beroperasi dalam bidang ini dan produknya agak mahal.
Bot kristalmerupakan bahan habis pakai yang digunakan dalam pengeluaran epitaksi yang boleh menggantikan grafit bersalut SiC, walaupun jumlah pasarannya kecil. Seterusnya ialah grafit bersalut TaC, yang menawarkan rintangan kakisan kimia yang lebih baik daripada grafit kosong atau grafit bersalut SiC, tetapi ia sangat mahal dan masih dalam peringkat awal pembangunan. Pada masa ini, syarikat domestik sepertiSemikonduktor Liufang, Semicera, danSemikonduktor Vetekterlibat dalam R&D dalam bidang ini.
Masa siaran: 20-Mei-2026