Et epitaksialt lag er en spesifikk tynn enkeltkrystallfilm som dyrkes på et wafersubstrat gjennom en epitaksial prosess; substratwaferen og den epitaksiale filmen omtales samlet som en epitaksial wafer. Blant disse produserer dyrking av et epitaksialt lag av silisiumkarbid på et ledende silisiumkarbidsubstrat en homogen epitaksial wafer av silisiumkarbid, som videre kan fremstilles til kraftenheter som Schottky-dioder, MOSFET-er og IGBT-er. Den mest brukte substrattypen er 4H-SiC-substratet.
Siden så godt som alle enheter er produsert på epitaksiale lag, har kvaliteten på det epitaksiale laget en betydelig innvirkning på enhetens ytelse. Kvaliteten på det epitaksiale laget påvirkes imidlertid av krystall- og substratbehandling, noe som plasserer det på et kritisk punkt i bransjen og spiller en sentral rolle i utviklingen.
De primære metodene for å fremstille epitaksiale lag av silisiumkarbid inkluderer: dampavsetning; væskefaseepitaksi (LPE); molekylærstråleepitaksi (MBE); og kjemisk dampavsetning (CVD). Blant disse er kjemisk dampavsetning (CVD) den mest brukte metoden for homogen 4H-SiC-epitaksi. 4H-SiC CVD-epitaksi benytter vanligvis CVD-utstyr, som sikrer kontinuiteten til 4H-SiC-krystallstrukturen under høye veksttemperaturer.
I CVD-utstyr kan ikke substratet plasseres direkte på en metalloverflate eller bare plasseres på en base for epitaksial avsetning, da dette involverer ulike påvirkningsfaktorer som gassstrømningsretning (horisontal, vertikal), temperatur, trykk, fiksering og forurensning fra avgitte partikler. Derfor kreves en støttebase; substratet plasseres på et brett, og epitaksial avsetning utføres deretter på substratet ved hjelp av CVD-teknologi. Denne støttebasen er en SiC-belagt grafittbase.
Som en kjernekomponent har grafittsubstratet høy spesifikk styrke og spesifikk modul, samt god termisk sjokk- og korrosjonsbestandighet. Under produksjonen er imidlertid grafitten utsatt for korrosjon og pulveravgivelse på grunn av etsende gasser og gjenværende organometalliske forbindelser, noe som reduserer substratets levetid betydelig. Samtidig kan det avgitte grafittpulveret forurense brikkene. I produksjonen av epitaksiale silisiumkarbidskiver har det blitt stadig vanskeligere å oppfylle de stadig strengere kravene til grafittmaterialer, noe som i stor grad begrenser deres utvikling og praktiske anvendelse. Følgelig,beleggteknologihar dukket opp som en løsning.
Fordeler med SiC-belegg i halvlederindustrien
De fysiske og kjemiske egenskapene til belegg må oppfylle strenge krav til høytemperatur- og korrosjonsbestandighet, da disse direkte påvirker produktets utbytte og levetid. SiC-materiale har høy styrke, høy hardhet, lav termisk utvidelseskoeffisient og utmerket varmeledningsevne, noe som gjør det til et kritisk strukturelt og halvledermateriale for høye temperaturer. Når det brukes på grafittsubstrater, inkluderer fordelene:
1) SiC er korrosjonsbestandig og kan innkapsle grafittsubstratet fullstendig. Den høye tettheten forhindrer skade fra korrosive gasser.
2) SiC har høy varmeledningsevne og sterk bindingsstyrke med grafittsubstratet, noe som sikrer at belegget forblir intakt selv etter gjentatte sykluser med høy og lav temperatur.
3) SiC har utmerket kjemisk stabilitet, noe som forhindrer beleggssvikt i høytemperatur, korrosive atmosfærer.
Videre krever epitaksialovner laget av forskjellige materialer grafittbrett med spesifikke ytelsesspesifikasjoner. Den termiske ekspansjonskoeffisienten til grafittmaterialet må være kompatibel med veksttemperaturen til epitaksialovnen. For eksempel, siden veksttemperaturen for silisiumkarbid-epitaksi er høy, kreves brett med en høy grad av termisk ekspansjonskoeffisienttilpasning. Den termiske ekspansjonskoeffisienten til SiC avviker svært lite fra grafitt, noe som gjør det til det foretrukne materialet for å belegge overflaten av grafittsubstrater.
SiC finnes i flere krystallformer, hvor de vanligste for tiden er 3C-, 4H- og 6H-typene, som hver tjener forskjellige bruksområder. For eksempel brukes 4H-SiC til å produsere høyeffektsenheter; 6H-SiC er den mest stabile og brukes til å produsere optoelektroniske enheter; og 3C-SiC, på grunn av sin strukturelle likhet med GaN, brukes til å produsere GaN-epitaksiale lag for produksjon av SiC-GaN RF-enheter. 3C-SiC blir også ofte referert til som β-SiC. En viktig anvendelse av β-SiC er som et tynnfilm- og beleggmateriale; følgelig er β-SiC for tiden det primære materialet som brukes til belegg.
Som et vanlig forbruksmateriale i halvlederproduksjon brukes SiC-belegg primært i prosesser som substratforberedelse, epitaksi, oksidasjon og diffusjon, etsing og ionimplantasjon. Beleggets fysiske og kjemiske egenskaper må oppfylle strenge krav til høytemperaturbestandighet og korrosjonsbestandighet, da disse direkte påvirker produktutbytte og levetid. Følgelig er forberedelsen av SiC-belegg kritisk.
Fremgangsmåte for fremstilling av silisiumkarbidbelegg
For tiden inkluderer de primære metodene for å fremstille SiC-belegg sol-gel-metoden, innestøpningsmetoden, børstebelegg, plasmasprøyting, kjemisk dampreaksjon (CVR) og kjemisk dampavsetning (CVD).
Innbyggingsmetode
Denne metoden er en type høytemperatur faststoffsintring. Den bruker primært en blanding av silisiumpulver (Si) og karbonpulver (C) som innstøpningspulver. Et grafittsubstrat plasseres i innstøpningspulveret og sintres ved høye temperaturer i en inert gassatmosfære, som til slutt danner et SiC-belegg på overflaten av grafittsubstratet. Denne metoden har en enkel prosess og god adhesjon mellom belegget og substratet; belegget viser imidlertid dårlig ensartethet langs tykkelsesretningen og er tilbøyelig til å utvikle mange porer, noe som resulterer i dårlig oksidasjonsmotstand.
Penselbeleggmetode
Børstebeleggsmetoden innebærer primært å påføre flytende råmateriale på overflaten av grafittsubstratet, etterfulgt av herding av materialet ved en spesifikk temperatur for å danne belegget. Denne metoden er enkel og kostnadseffektiv; det resulterende belegget viser imidlertid svak adhesjon til substratet, dårlig ensartethet og er relativt tynt med lav oksidasjonsmotstand, noe som nødvendiggjør supplerende metoder.
Plasmasprøytemetode
Plasmasprøytingsmetoden innebærer bruk av en plasmapistol for å sprøyte smeltet eller halvsmeltet råmateriale på overflaten av grafittsubstratet, som deretter størkner og binder seg for å danne et belegg. Denne metoden er enkel å bruke og kan produsere relativt tette silisiumkarbidbelegg; de resulterende beleggene er imidlertid ofte for tynne, noe som fører til dårlig oksidasjonsmotstand. Derfor brukes den vanligvis i fremstillingen av SiC-komposittbelegg for å forbedre beleggkvaliteten.
Gel-Sol-metoden
Gel-sol-metoden innebærer primært å fremstille en jevn, transparent solløsning for å belegge substratoverflaten. Etter tørking til en gel sintres materialet for å danne belegget. Denne metoden er enkel å bruke og relativt rimelig; de resulterende beleggene lider imidlertid av ulemper som lav termisk sjokkmotstand og en tendens til å sprekke, noe som begrenser deres utbredte bruk.
Kjemisk dampreaksjonsmetode (CVR)
CVR bruker primært Si- og SiO₂-pulver for å generere SiO₂-damp ved høye temperaturer, noe som utløser en rekke kjemiske reaksjoner på overflaten av Si-substratet for å danne et SiC-belegg. SiC-belegget som produseres med denne metoden binder seg tett til substratet; reaksjonstemperaturen er imidlertid høy, og kostnaden er også relativt høy.
Kjemisk dampavsetning (CVD)
CVD er for tiden den primære teknologien for å fremstille SiC-belegg på substratoverflater. Hovedprosessen involverer en rekke fysisk-kjemiske reaksjoner mellom gassformige reaktanter og substratoverflaten, som til slutt resulterer i avsetning av et SiC-belegg. SiC-belegg produsert med CVD-teknologi binder seg tett til substratoverflaten og kan effektivt forbedre substratmaterialets oksidasjonsmotstand og ablasjonsmotstand. Denne metoden krever imidlertid en relativt lang avsetningstid, og reaksjonsgassene inneholder visse giftige komponenter.
Trender innen SiC-belegg
SiC-belegg brukes primært som forbruksvarer i halvlederproduksjon, med viktige ytelsesmål som beleggens ensartethet, termisk utvidelseskoeffisient og termisk ledningsevne. Selv om det er betydelig innenlandsk etterspørsel etter SiC-belegg i Kina, er teknologien fortsatt umoden. I utlandet opererer bare ett amerikansk selskap innen dette feltet, og produktene deres er relativt dyre.
Krystallbåterer forbruksvarer som brukes i epitaksialproduksjon som kan erstatte SiC-belagt grafitt, selv om markedsvolumet er lite. Neste er TaC-belagt grafitt, som gir bedre kjemisk korrosjonsbestandighet enn bar grafitt eller SiC-belagt grafitt, men den er uoverkommelig dyr og fortsatt i tidlige utviklingsstadier. For tiden er innenlandske selskaper somLiufang halvleder, Semicera, ogVetek Semiconductorer engasjert i FoU på dette området.
Publiseringstid: 20. mai 2026