Een epitaxiale laag is een specifieke, dunne film van enkelkristallijn siliciumcarbide die via een epitaxiaal proces op een wafersubstraat wordt gegroeid; de wafer en de epitaxiale film worden samen een epitaxiale wafer genoemd. Het groeien van een epitaxiale siliciumcarbidelaag op een geleidend siliciumcarbidesubstraat levert een homogene epitaxiale siliciumcarbidewafer op, die verder kan worden verwerkt tot vermogenscomponenten zoals Schottky-diodes, MOSFET's en IGBT's. Het meest gebruikte substraattype is het 4H-SiC-substraat.
Omdat vrijwel alle apparaten op epitaxiale lagen worden vervaardigd, heeft de kwaliteit van de epitaxiale laag een aanzienlijke invloed op de prestaties van het apparaat. De kwaliteit van de epitaxiale laag wordt echter beïnvloed door de kristal- en substraatverwerking, waardoor deze een kritiek punt in de industrie vormt en een essentiële rol speelt in de ontwikkeling ervan.
De belangrijkste methoden voor het prepareren van epitaxiale siliciumcarbidelagen zijn: dampafzetting; vloeistoffase-epitaxie (LPE); moleculaire bundelepitaxie (MBE); en chemische dampafzetting (CVD). Van deze methoden is chemische dampafzetting (CVD) de meest gebruikte methode voor homogene epitaxie van 4H-SiC. Bij CVD-epitaxie van 4H-SiC wordt doorgaans CVD-apparatuur gebruikt, die de continuïteit van de 4H-SiC-kristalstructuur garandeert bij hoge groeit temperaturen.
Bij CVD-apparatuur kan het substraat niet direct op een metalen oppervlak worden geplaatst of simpelweg op een basis voor epitaxiale depositie worden gelegd, omdat dit verschillende beïnvloedende factoren met zich meebrengt, zoals de gasstroomrichting (horizontaal, verticaal), temperatuur, druk, fixatie en verontreiniging door loslatende deeltjes. Daarom is een ondersteunende basis nodig; het substraat wordt op een tray geplaatst en vervolgens wordt epitaxiale depositie op het substraat uitgevoerd met behulp van CVD-technologie. Deze ondersteunende basis is een met SiC gecoate grafietbasis.
Als kerncomponent kenmerkt het grafietsubstraat zich door een hoge specifieke sterkte en modulus, evenals een goede thermische schok- en corrosiebestendigheid. Tijdens de productie is het grafiet echter onderhevig aan corrosie en afschilfering door corrosieve gassen en resterende organometallische verbindingen, waardoor de levensduur van het substraat aanzienlijk wordt verkort. Tegelijkertijd kan het afgeschilferde grafietpoeder de chips verontreinigen. Bij de productie van epitaxiale siliciumcarbidewafers is het steeds moeilijker geworden om te voldoen aan de steeds strengere eisen voor grafietmaterialen, wat de ontwikkeling en praktische toepassing ervan ernstig beperkt. Bijgevolg,coatingtechnologieis als oplossing naar voren gekomen.
Voordelen van SiC-coatings in de halfgeleiderindustrie
De fysische en chemische eigenschappen van coatings moeten voldoen aan strenge eisen op het gebied van hoge temperatuur- en corrosiebestendigheid, aangezien deze direct van invloed zijn op de productopbrengst en levensduur. SiC-materiaal heeft een hoge sterkte, hoge hardheid, een lage thermische uitzettingscoëfficiënt en een uitstekende thermische geleidbaarheid, waardoor het een cruciaal constructie- en halfgeleidermateriaal is voor hoge temperaturen. Wanneer het wordt toegepast op grafietsubstraten, biedt het de volgende voordelen:
1) SiC is corrosiebestendig en kan het grafietsubstraat volledig omsluiten. De hoge dichtheid voorkomt schade door corrosieve gassen.
2) SiC heeft een hoge thermische geleidbaarheid en een sterke hechtsterkte met het grafietsubstraat, waardoor de coating intact blijft, zelfs na herhaalde temperatuurschommelingen.
3) SiC heeft een uitstekende chemische stabiliteit, waardoor coatingfalen in corrosieve atmosferen bij hoge temperaturen wordt voorkomen.
Bovendien vereisen epitaxiale ovens van verschillende materialen grafietplaten met specifieke prestatie-eisen. De thermische uitzettingscoëfficiënt van het grafietmateriaal moet compatibel zijn met de groeitstemperatuur van de epitaxiale oven. Omdat de groeitstemperatuur voor siliciumcarbide-epitaxie bijvoorbeeld hoog is, zijn platen met een zeer goede thermische uitzettingscoëfficiënt nodig. De thermische uitzettingscoëfficiënt van SiC verschilt slechts weinig van die van grafiet, waardoor het het voorkeursmateriaal is voor het coaten van het oppervlak van grafietsubstraten.
SiC bestaat in meerdere kristalvormen, waarvan de meest voorkomende momenteel de 3C-, 4H- en 6H-typen zijn, elk met verschillende toepassingen. Zo wordt 4H-SiC gebruikt voor de productie van hoogvermogencomponenten; 6H-SiC is het meest stabiel en wordt gebruikt voor de productie van opto-elektronische componenten; en 3C-SiC, vanwege de structurele gelijkenis met GaN, wordt gebruikt voor de productie van GaN-epitaxiale lagen voor de fabricage van SiC-GaN RF-componenten. 3C-SiC wordt ook wel β-SiC genoemd. Een belangrijke toepassing van β-SiC is als dunnefilm- en coatingmateriaal; daarom is β-SiC momenteel het meest gebruikte materiaal voor coatings.
SiC-coatings zijn een veelgebruikt verbruiksartikel in de halfgeleiderproductie en worden voornamelijk gebruikt in processen zoals substraatvoorbereiding, epitaxie, oxidatie en diffusie, etsen en ionenimplantatie. De fysische en chemische eigenschappen van de coating moeten voldoen aan strenge eisen op het gebied van hoge temperatuurbestendigheid en corrosiebestendigheid, aangezien deze direct van invloed zijn op de productopbrengst en levensduur. De voorbereiding van SiC-coatings is daarom cruciaal.
Werkwijze voor het bereiden van siliciumcarbidecoatings
Momenteel omvatten de belangrijkste methoden voor het vervaardigen van SiC-coatings de sol-gelmethode, de inbeddingsmethode, borstelcoating, plasmaspuiten, chemische dampreactie (CVR) en chemische dampafzetting (CVD).
Inbeddingsmethode
Deze methode is een vorm van hogetemperatuur-vastestofsintern. Er wordt hoofdzakelijk gebruikgemaakt van een mengsel van silicium (Si)-poeder en koolstof (C)-poeder als inbeddingspoeder. Een grafietsubstraat wordt in het inbeddingspoeder geplaatst en bij hoge temperaturen in een inerte gasatmosfeer gesinterd, waardoor uiteindelijk een SiC-coating op het oppervlak van het grafietsubstraat wordt gevormd. Deze methode kenmerkt zich door een eenvoudig proces en een goede hechting tussen de coating en het substraat; de coating vertoont echter een slechte uniformiteit in de dikterichting en is gevoelig voor de ontwikkeling van talrijke poriën, wat resulteert in een slechte oxidatiebestendigheid.
Kwastcoatingmethode
De kwastcoatingmethode houdt in principe in dat vloeibaar ruw materiaal op het oppervlak van het grafietsubstraat wordt aangebracht, waarna het materiaal bij een specifieke temperatuur wordt uitgehard om de coating te vormen. Deze methode is eenvoudig en kosteneffectief; de resulterende coating vertoont echter een zwakke hechting aan het substraat, een slechte uniformiteit en is relatief dun met een lage oxidatieweerstand, waardoor aanvullende methoden nodig zijn.
Plasmaspuitmethode
Bij de plasmaspuitmethode wordt met behulp van een plasmapistool gesmolten of halfgesmolten ruw materiaal op het oppervlak van het grafietsubstraat gespoten. Dit materiaal stolt vervolgens en hecht zich aan elkaar tot een coating. Deze methode is eenvoudig te bedienen en kan relatief dichte siliciumcarbidecoatings produceren. De resulterende coatings zijn echter vaak te dun, wat leidt tot een slechte oxidatiebestendigheid. Daarom wordt deze methode over het algemeen gebruikt bij de bereiding van SiC-composietcoatings om de coatingkwaliteit te verbeteren.
Gel-solmethode
De gel-solmethode omvat in de eerste plaats het bereiden van een uniforme, transparante soloplossing om het substraatoppervlak mee te bedekken. Nadat het materiaal is gedroogd tot een gel, wordt het gesinterd om de coating te vormen. Deze methode is eenvoudig in gebruik en relatief goedkoop; de resulterende coatings hebben echter nadelen zoals een lage thermische schokbestendigheid en een neiging tot scheuren, waardoor hun brede toepassing beperkt is.
Chemische dampreactiemethode (CVR)
CVR maakt voornamelijk gebruik van Si- en SiO₂-poeders om bij hoge temperaturen SiO₂-damp te genereren, wat een reeks chemische reacties op het oppervlak van het Si-substraat in gang zet om een SiC-coating te vormen. De SiC-coating die met deze methode wordt geproduceerd, hecht stevig aan het substraat; de reactietemperatuur is echter hoog en de kosten zijn ook relatief hoog.
Chemische dampafzetting (CVD)
CVD is momenteel de belangrijkste technologie voor het aanbrengen van SiC-coatings op substraatoppervlakken. Het hoofdproces omvat een reeks fysisch-chemische reacties tussen gasvormige reactanten en het substraatoppervlak, wat uiteindelijk resulteert in de afzetting van een SiC-coating. SiC-coatings die met CVD-technologie worden geproduceerd, hechten stevig aan het substraatoppervlak en kunnen de oxidatie- en ablatieweerstand van het substraatmateriaal effectief verbeteren; deze methode vereist echter een relatief lange afzettingstijd en de reactiegassen bevatten bepaalde giftige componenten.
Trends in SiC-coatings
SiC-coatings worden voornamelijk gebruikt als verbruiksmateriaal in de halfgeleiderindustrie, waarbij belangrijke prestatieparameters onder meer de uniformiteit van de coating, de thermische uitzettingscoëfficiënt en de thermische geleidbaarheid zijn. Hoewel er in China een aanzienlijke binnenlandse vraag naar SiC-coatings is, is de technologie nog in een vroeg stadium. In het buitenland is er slechts één Amerikaans bedrijf actief op dit gebied, en de producten daarvan zijn relatief duur.
Kristallen botenzijn verbruiksmaterialen die worden gebruikt bij epitaxiale productie en die SiC-gecoat grafiet kunnen vervangen, hoewel het marktvolume klein is. Vervolgens is er TaC-gecoat grafiet, dat een betere chemische corrosiebestendigheid biedt dan kaal grafiet of SiC-gecoat grafiet, maar het is buitengewoon duur en bevindt zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium. Momenteel produceren binnenlandse bedrijven zoalsLiufang-halfgeleider, Semicera, EnVetek Semiconductorzijn betrokken bij onderzoek en ontwikkeling op dit gebied.
Publicatiedatum: 20 mei 2026