Warstwa epitaksjalna to specyficzna, cienka warstwa monokrystaliczna wytworzona na podłożu waflowym w procesie epitaksjalnym; podłoże wafelowe i warstwa epitaksjalna są zbiorczo określane jako płytka epitaksjalna. W tym przypadku, wytworzenie warstwy epitaksjalnej z węglika krzemu na przewodzącym podłożu z węglika krzemu pozwala na uzyskanie jednorodnej płytki epitaksjalnej z węglika krzemu, z której można następnie wytwarzać urządzenia mocy, takie jak diody Schottky'ego, tranzystory MOSFET i tranzystory IGBT. Najczęściej stosowanym typem podłoża jest podłoże 4H-SiC.
Ponieważ praktycznie wszystkie urządzenia są wytwarzane na warstwach epitaksjalnych, jakość warstwy epitaksjalnej ma znaczący wpływ na wydajność urządzenia. Jednak jakość warstwy epitaksjalnej zależy od obróbki kryształu i podłoża, co stawia ją w kluczowym momencie dla branży i odgrywa kluczową rolę w jej rozwoju.
Główne metody wytwarzania warstw epitaksjalnych z węglika krzemu obejmują: osadzanie z fazy gazowej, epitaksję z fazy ciekłej (LPE), epitaksję z wiązek molekularnych (MBE) oraz chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD). Spośród nich, chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) jest najpowszechniej stosowaną metodą epitaksji jednorodnej 4H-SiC. Epitaksja CVD 4H-SiC zazwyczaj wykorzystuje urządzenia CVD, które zapewniają ciągłość struktury krystalicznej 4H-SiC w wysokich temperaturach wzrostu.
W urządzeniach CVD podłoże nie może być umieszczone bezpośrednio na powierzchni metalu ani po prostu umieszczone na podstawie do osadzania epitaksjalnego, ponieważ wiąże się to z różnymi czynnikami, takimi jak kierunek przepływu gazu (poziomy, pionowy), temperatura, ciśnienie, wiązanie oraz zanieczyszczenie przez odpryskujące cząstki. Dlatego wymagana jest podstawa nośna; podłoże umieszcza się na tacy, a następnie przeprowadza się osadzanie epitaksjalne na podłożu za pomocą technologii CVD. Ta podstawa nośna to grafitowa podstawa pokryta SiC.
Jako główny komponent, podłoże grafitowe charakteryzuje się wysoką wytrzymałością właściwą i modułem sprężystości, a także dobrą odpornością na szok termiczny i korozję. Jednak podczas produkcji grafit jest narażony na korozję i odpryskiwanie proszku z powodu gazów korozyjnych i resztkowych związków metaloorganicznych, co znacznie skraca żywotność podłoża. Jednocześnie odpryskiwany proszek grafitowy może zanieczyszczać wióry. W produkcji płytek epitaksjalnych z węglika krzemu coraz trudniej jest sprostać coraz bardziej rygorystycznym wymaganiom dotyczącym materiałów grafitowych, co poważnie ogranicza ich rozwój i praktyczne zastosowanie. W konsekwencji,technologia powlekaniawyłoniło się jako rozwiązanie.
Zalety powłok SiC w przemyśle półprzewodnikowym
Właściwości fizyczne i chemiczne powłok muszą spełniać surowe wymagania dotyczące odporności na wysokie temperatury i korozję, ponieważ mają one bezpośredni wpływ na wydajność i żywotność produktu. Materiał SiC charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, wysoką twardością, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i doskonałą przewodnością cieplną, co czyni go kluczowym materiałem konstrukcyjnym i półprzewodnikowym do zastosowań wysokotemperaturowych. Zastosowany na podłożach grafitowych, ma następujące zalety:
1) SiC jest odporny na korozję i może całkowicie pokryć podłoże grafitowe. Jego wysoka gęstość zapobiega uszkodzeniom wywoływanym przez gazy korozyjne.
2) SiC charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną i dużą wytrzymałością wiązania z podłożem grafitowym, co zapewnia, że powłoka pozostanie nienaruszona nawet po wielokrotnych cyklach wysokich i niskich temperatur.
3) SiC charakteryzuje się doskonałą stabilnością chemiczną, co zapobiega uszkodzeniom powłoki w środowisku o wysokiej temperaturze i korozyjnym.
Ponadto piece epitaksjalne wykonane z różnych materiałów wymagają tac grafitowych o określonych parametrach wydajności. Współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału grafitowego musi być zgodny z temperaturą wzrostu w piecu epitaksjalnym. Przykładowo, ze względu na wysoką temperaturę wzrostu w procesie epitaksji węglika krzemu, wymagane są tace o wysokim stopniu dopasowania współczynnika rozszerzalności cieplnej. Współczynnik rozszerzalności cieplnej SiC nieznacznie różni się od współczynnika rozszerzalności cieplnej grafitu, co czyni go preferowanym materiałem do powlekania powierzchni podłoży grafitowych.
SiC występuje w wielu formach krystalicznych, z których najpowszechniejsze to obecnie 3C, 4H i 6H, z których każda ma inne zastosowania. Na przykład, 4H-SiC jest używany do produkcji urządzeń dużej mocy; 6H-SiC jest najbardziej stabilny i jest używany do produkcji urządzeń optoelektronicznych; a 3C-SiC, ze względu na strukturalne podobieństwo do GaN, jest używany do wytwarzania warstw epitaksjalnych GaN do produkcji urządzeń RF SiC-GaN. 3C-SiC jest również powszechnie nazywany β-SiC. Kluczowym zastosowaniem β-SiC jest materiał cienkowarstwowy i powłokowy; w związku z tym β-SiC jest obecnie głównym materiałem stosowanym do powłok.
Jako powszechny materiał eksploatacyjny w produkcji półprzewodników, powłoki SiC są wykorzystywane głównie w procesach takich jak przygotowanie podłoża, epitaksja, utlenianie i dyfuzja, trawienie oraz implantacja jonów. Właściwości fizyczne i chemiczne powłoki muszą spełniać surowe wymagania dotyczące odporności na wysokie temperatury i korozję, ponieważ mają one bezpośredni wpływ na wydajność i żywotność produktu. W związku z tym przygotowanie powłok SiC ma kluczowe znaczenie.
Proces przygotowywania powłok z węglika krzemu
Obecnie główne metody przygotowywania powłok SiC obejmują metodę sol-żel, metodę osadzania, powlekanie pędzlem, natryskiwanie plazmowe, reakcję chemiczną z fazy gazowej (CVR) i osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD).
Metoda osadzania
Metoda ta jest rodzajem wysokotemperaturowego spiekania w stanie stałym. Wykorzystuje ona głównie mieszaninę proszku krzemu (Si) i proszku węgla (C) jako proszek do zatapiania. Podłoże grafitowe jest umieszczane w proszku do zatapiania i spiekane w wysokiej temperaturze w atmosferze gazu obojętnego, tworząc ostatecznie powłokę SiC na powierzchni podłoża grafitowego. Metoda ta charakteryzuje się prostym procesem i dobrą przyczepnością powłoki do podłoża; jednak powłoka wykazuje słabą jednorodność wzdłuż grubości i jest podatna na powstawanie licznych porów, co skutkuje niską odpornością na utlenianie.
Metoda powlekania pędzlem
Metoda powlekania pędzlem polega głównie na nałożeniu ciekłego surowca na powierzchnię podłoża grafitowego, a następnie utwardzeniu go w określonej temperaturze w celu utworzenia powłoki. Metoda ta jest prosta i ekonomiczna, jednak otrzymana powłoka charakteryzuje się słabą przyczepnością do podłoża, niską jednorodnością, jest stosunkowo cienka i ma niską odporność na utlenianie, co wymaga zastosowania dodatkowych metod.
Metoda natryskiwania plazmowego
Metoda natryskiwania plazmowego polega na natryskiwaniu stopionego lub półstopionego surowca za pomocą pistoletu plazmowego na powierzchnię podłoża grafitowego, które następnie krzepnie i łączy się, tworząc powłokę. Metoda ta jest prosta w obsłudze i pozwala na uzyskanie stosunkowo gęstych powłok z węglika krzemu; jednak uzyskane powłoki są często zbyt cienkie, co prowadzi do niskiej odporności na utlenianie. Dlatego jest ona powszechnie stosowana do przygotowywania powłok kompozytowych SiC w celu poprawy jakości powłoki.
Metoda żel-sol
Metoda żel-sol polega przede wszystkim na przygotowaniu jednorodnego, przezroczystego roztworu zolu do pokrycia powierzchni podłoża. Po wyschnięciu do postaci żelu, materiał jest spiekany w celu utworzenia powłoki. Metoda ta jest prosta w obsłudze i stosunkowo tania; jednak uzyskane powłoki mają wady, takie jak niska odporność na szok termiczny i skłonność do pękania, co ogranicza ich szerokie zastosowanie.
Metoda reakcji chemicznej z parą wodną (CVR)
Metoda CVR wykorzystuje głównie proszki Si i SiO₂ do generowania pary SiO₂ w wysokich temperaturach, co powoduje szereg reakcji chemicznych na powierzchni podłoża Si, tworząc powłokę SiC. Powłoka SiC wytwarzana tą metodą ściśle wiąże się z podłożem; jednak temperatura reakcji jest wysoka, a koszt również stosunkowo wysoki.
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD)
CVD jest obecnie podstawową technologią wytwarzania powłok SiC na powierzchniach podłoża. Główny proces obejmuje serię reakcji fizykochemicznych między gazowymi reagentami a powierzchnią podłoża, które ostatecznie prowadzą do osadzenia powłoki SiC. Powłoki SiC wytwarzane technologią CVD ściśle wiążą się z powierzchnią podłoża i mogą skutecznie poprawić odporność materiału podłoża na utlenianie i ablację; jednak metoda ta wymaga stosunkowo długiego czasu osadzania, a gazy reakcyjne zawierają pewne toksyczne składniki.
Trendy w powłokach SiC
Powłoki SiC są wykorzystywane głównie jako materiały eksploatacyjne w produkcji półprzewodników, a ich kluczowe parametry to jednorodność powłoki, współczynnik rozszerzalności cieplnej i przewodność cieplna. Chociaż w Chinach istnieje znaczny popyt na powłoki SiC, technologia ta pozostaje niedojrzała. Za granicą działa w tej dziedzinie tylko jedna firma z USA, a jej produkty są stosunkowo drogie.
Kryształowe łodzieTo materiały eksploatacyjne stosowane w produkcji epitaksjalnej, które mogą zastąpić grafit powlekany SiC, choć ich wolumen rynkowy jest niewielki. Kolejnym jest grafit powlekany TaC, który oferuje lepszą odporność na korozję chemiczną niż grafit goły lub powlekany SiC, ale jest on niezwykle drogi i wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Obecnie firmy krajowe, takie jakPółprzewodnik Liufang, Semicera, IVetek Semiconductorzajmują się pracami badawczo-rozwojowymi w tej dziedzinie.
Czas publikacji: 20-05-2026