Uma camada epitaxial é um filme fino monocristalino específico, crescido sobre um substrato de wafer por meio de um processo epitaxial; o wafer de substrato e o filme epitaxial são coletivamente denominados wafer epitaxial. Dentre esses, o crescimento de uma camada epitaxial de carbeto de silício sobre um substrato condutor de carbeto de silício produz um wafer epitaxial homogêneo de carbeto de silício, que pode ser posteriormente utilizado na fabricação de dispositivos de potência, como diodos Schottky, MOSFETs e IGBTs. O tipo de substrato mais utilizado é o 4H-SiC.
Como praticamente todos os dispositivos são fabricados em camadas epitaxiais, a qualidade dessa camada tem um impacto significativo no desempenho do dispositivo. No entanto, a qualidade da camada epitaxial é influenciada pelo processamento do cristal e do substrato, o que a coloca em um ponto crítico da indústria e a torna fundamental para o seu desenvolvimento.
Os principais métodos para preparar camadas epitaxiais de carbeto de silício incluem: deposição de vapor; epitaxia em fase líquida (LPE); epitaxia por feixe molecular (MBE); e deposição química de vapor (CVD). Dentre esses, a deposição química de vapor (CVD) é o método mais utilizado para a epitaxia homogênea de 4H-SiC. A epitaxia de 4H-SiC por CVD normalmente emprega equipamentos de CVD, o que garante a continuidade da estrutura cristalina do 4H-SiC sob altas temperaturas de crescimento.
Em equipamentos de CVD, o substrato não pode ser colocado diretamente sobre uma superfície metálica ou simplesmente sobre uma base para deposição epitaxial, pois isso envolve diversos fatores que influenciam o processo, como a direção do fluxo de gás (horizontal, vertical), temperatura, pressão, fixação e contaminação por partículas desprendidas. Portanto, é necessária uma base de suporte; o substrato é colocado em uma bandeja e a deposição epitaxial é então realizada sobre ele utilizando a tecnologia CVD. Essa base de suporte é uma base de grafite revestida com SiC.
Como componente essencial, o substrato de grafite apresenta alta resistência e módulo específicos, além de boa resistência ao choque térmico e à corrosão. No entanto, durante a produção, a grafite está sujeita à corrosão e ao desprendimento de pó devido a gases corrosivos e compostos organometálicos residuais, reduzindo significativamente a vida útil do substrato. Ao mesmo tempo, o pó de grafite desprendido pode contaminar os chips. Na produção de wafers epitaxiais de carbeto de silício, tornou-se cada vez mais difícil atender aos requisitos cada vez mais rigorosos para materiais de grafite, limitando severamente seu desenvolvimento e aplicação prática. Consequentemente,tecnologia de revestimentosurgiu como uma solução.
Vantagens dos revestimentos de SiC na indústria de semicondutores
As propriedades físicas e químicas dos revestimentos devem atender a requisitos rigorosos de resistência a altas temperaturas e à corrosão, pois impactam diretamente o rendimento e a vida útil do produto. O SiC possui alta resistência, alta dureza, baixo coeficiente de expansão térmica e excelente condutividade térmica, o que o torna um material estrutural e semicondutor essencial para altas temperaturas. Quando aplicado a substratos de grafite, suas vantagens incluem:
1) O SiC é resistente à corrosão e pode encapsular completamente o substrato de grafite. Sua alta densidade impede danos causados por gases corrosivos.
2) O SiC possui alta condutividade térmica e forte adesão ao substrato de grafite, garantindo que o revestimento permaneça intacto mesmo após repetidos ciclos de alta e baixa temperatura.
3) O SiC possui excelente estabilidade química, evitando falhas no revestimento em atmosferas corrosivas e de alta temperatura.
Além disso, fornos epitaxiais feitos de diferentes materiais requerem bandejas de grafite com especificações de desempenho específicas. O coeficiente de expansão térmica do material de grafite deve ser compatível com a temperatura de crescimento do forno epitaxial. Por exemplo, como a temperatura de crescimento para epitaxia de carbeto de silício é alta, são necessárias bandejas com um alto grau de compatibilidade do coeficiente de expansão térmica. O coeficiente de expansão térmica do SiC difere muito pouco do da grafite, tornando-o o material preferido para revestir a superfície de substratos de grafite.
O SiC existe em múltiplas formas cristalinas, sendo as mais comuns atualmente os tipos 3C, 4H e 6H, cada uma com aplicações diferentes. Por exemplo, o 4H-SiC é usado na fabricação de dispositivos de alta potência; o 6H-SiC é o mais estável e é usado na fabricação de dispositivos optoeletrônicos; e o 3C-SiC, devido à sua similaridade estrutural com o GaN, é usado para produzir camadas epitaxiais de GaN para a fabricação de dispositivos de radiofrequência (RF) SiC-GaN. O 3C-SiC também é comumente chamado de β-SiC. Uma aplicação fundamental do β-SiC é como material para filmes finos e revestimentos; consequentemente, o β-SiC é atualmente o principal material usado para revestimentos.
Como um consumível comum na produção de semicondutores, os revestimentos de SiC são usados principalmente em processos como preparação do substrato, epitaxia, oxidação e difusão, corrosão e implantação iônica. As propriedades físicas e químicas do revestimento devem atender a requisitos rigorosos de resistência a altas temperaturas e à corrosão, pois impactam diretamente o rendimento e a vida útil do produto. Consequentemente, a preparação dos revestimentos de SiC é crucial.
Processo para preparação de revestimentos de carbeto de silício
Atualmente, os principais métodos para preparar revestimentos de SiC incluem o método sol-gel, o método de incorporação, o revestimento por pincel, a pulverização por plasma, a reação química em fase vapor (CVR) e a deposição química em fase vapor (CVD).
Método de incorporação
Este método é um tipo de sinterização em estado sólido a alta temperatura. Utiliza principalmente uma mistura de pó de silício (Si) e pó de carbono (C) como pó de encapsulamento. Um substrato de grafite é colocado dentro do pó de encapsulamento e sinterizado a altas temperaturas em atmosfera de gás inerte, formando, por fim, um revestimento de SiC na superfície do substrato de grafite. Este método apresenta um processo simples e boa adesão entre o revestimento e o substrato; no entanto, o revestimento exibe baixa uniformidade na direção da espessura e é propenso ao desenvolvimento de numerosos poros, resultando em baixa resistência à oxidação.
Método de revestimento com pincel
O método de revestimento por pincel consiste basicamente na aplicação de matéria-prima líquida na superfície do substrato de grafite, seguida da cura do material a uma temperatura específica para formar o revestimento. Este método é simples e econômico; no entanto, o revestimento resultante apresenta baixa adesão ao substrato, pouca uniformidade e é relativamente fino, com baixa resistência à oxidação, o que exige métodos complementares.
Método de aspersão por plasma
O método de aspersão por plasma envolve o uso de uma pistola de plasma para pulverizar matéria-prima fundida ou semifundida sobre a superfície do substrato de grafite, que então se solidifica e se liga para formar um revestimento. Este método é simples de operar e pode produzir revestimentos de carbeto de silício relativamente densos; no entanto, os revestimentos resultantes são frequentemente muito finos, levando a uma baixa resistência à oxidação. Portanto, geralmente é utilizado na preparação de revestimentos compósitos de SiC para melhorar a qualidade do revestimento.
Método Gel-Sol
O método gel-sol consiste basicamente na preparação de uma solução sol uniforme e transparente para revestir a superfície do substrato. Após a secagem, o material é sinterizado para formar o revestimento. Este método é simples de operar e relativamente barato; no entanto, os revestimentos resultantes apresentam desvantagens como baixa resistência ao choque térmico e tendência a fissuras, o que limita sua aplicação em larga escala.
Método de Reação Química em Vapor (CVR)
A tecnologia CVR utiliza principalmente pós de Si e SiO₂ para gerar vapor de SiO₂ em altas temperaturas, desencadeando uma série de reações químicas na superfície do substrato de Si para formar um revestimento de SiC. O revestimento de SiC produzido por esse método adere fortemente ao substrato; no entanto, a temperatura de reação é alta e o custo também é relativamente elevado.
Deposição Química de Vapor (CVD)
Atualmente, a deposição química de vapor (CVD) é a principal tecnologia para a preparação de revestimentos de SiC em superfícies de substratos. O processo principal envolve uma série de reações físico-químicas entre reagentes gasosos e a superfície do substrato, resultando na deposição de um revestimento de SiC. Os revestimentos de SiC produzidos pela tecnologia CVD aderem fortemente à superfície do substrato e podem melhorar efetivamente a resistência à oxidação e à ablação do material do substrato; no entanto, esse método requer um tempo de deposição relativamente longo e os gases de reação contêm certos componentes tóxicos.
Tendências em revestimentos de SiC
Os revestimentos de SiC são usados principalmente como consumíveis na fabricação de semicondutores, com métricas de desempenho essenciais, incluindo uniformidade do revestimento, coeficiente de expansão térmica e condutividade térmica. Embora haja uma demanda interna significativa por revestimentos de SiC na China, a tecnologia ainda está em desenvolvimento. No exterior, apenas uma empresa americana atua nesse setor, e seus produtos são relativamente caros.
Barcos de cristalSão consumíveis usados na produção epitaxial que podem substituir o grafite revestido com SiC, embora o volume de mercado seja pequeno. Em seguida, temos o grafite revestido com TaC, que oferece melhor resistência à corrosão química do que o grafite puro ou o grafite revestido com SiC, mas é proibitivamente caro e ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento. Atualmente, empresas nacionais comoSemicondutor Liufang, Semica, eSemicondutores Vetekestão envolvidos em pesquisa e desenvolvimento nessa área.
Data de publicação: 20 de maio de 2026