Un strat epitaxial este o peliculă subțire monocristalină specifică, crescută pe un substrat de plachetă printr-un proces epitaxial; placheta substratului și pelicula epitaxială sunt denumite colectiv plachetă epitaxială. Printre acestea, creșterea unui strat epitaxial de carbură de siliciu pe un substrat conductiv de carbură de siliciu produce o plachetă epitaxială omogenă de carbură de siliciu, care poate fi fabricată ulterior în dispozitive de putere, cum ar fi diode Schottky, MOSFET-uri și IGBT-uri. Cel mai utilizat tip de substrat este substratul 4H-SiC.
Întrucât practic toate dispozitivele sunt fabricate pe straturi epitaxiale, calitatea stratului epitaxial are un impact semnificativ asupra performanței dispozitivului. Cu toate acestea, calitatea stratului epitaxial este influențată de procesarea cristalului și a substratului, plasându-l într-un moment critic în industrie și jucând un rol esențial în dezvoltarea acesteia.
Principalele metode de preparare a straturilor epitaxiale de carbură de siliciu includ: depunerea de vapori; epitaxia în fază lichidă (LPE); epitaxia cu fascicul molecular (MBE); și depunerea chimică de vapori (CVD). Printre acestea, depunerea chimică de vapori (CVD) este metoda cea mai utilizată pentru epitaxia omogenă 4H-SiC. Epitaxia CVD 4H-SiC utilizează de obicei echipamente CVD, care asigură continuitatea structurii cristaline 4H-SiC la temperaturi de creștere ridicate.
În echipamentele CVD, substratul nu poate fi plasat direct pe o suprafață metalică sau pur și simplu plasat pe o bază pentru depunere epitaxială, deoarece acest lucru implică diverși factori de influență, cum ar fi direcția fluxului de gaz (orizontală, verticală), temperatura, presiunea, fixarea și contaminarea din cauza particulelor care se desprind. Prin urmare, este necesară o bază de susținere; substratul este plasat pe o tavă, iar depunerea epitaxială este apoi efectuată pe substrat folosind tehnologia CVD. Această bază de susținere este o bază de grafit acoperită cu SiC.
Ca și componentă principală, substratul de grafit se caracterizează prin rezistență specifică și modul specific ridicat, precum și o bună rezistență la șocuri termice și coroziune. Cu toate acestea, în timpul producției, grafitul este supus coroziunii și desprinderii de pulbere din cauza gazelor corozive și a compușilor organometalici reziduali, reducând semnificativ durata de viață a substratului. În același timp, pulberea de grafit desprinsă poate contamina așchiile. În producția de napolitane epitaxiale din carbură de siliciu, a devenit din ce în ce mai dificil să se respecte cerințele din ce în ce mai stricte pentru materialele de grafit, limitând sever dezvoltarea și aplicarea practică a acestora. Prin urmare,tehnologia de acoperirea apărut ca o soluție.
Avantajele acoperirilor cu SiC în industria semiconductorilor
Proprietățile fizice și chimice ale acoperirilor trebuie să îndeplinească cerințe stricte de rezistență la temperaturi ridicate și coroziune, deoarece acestea au un impact direct asupra randamentului și duratei de viață a produsului. Materialul SiC posedă o rezistență ridicată, o duritate ridicată, un coeficient scăzut de dilatare termică și o conductivitate termică excelentă, ceea ce îl face un material structural și semiconductor critic pentru temperaturi ridicate. Atunci când este aplicat pe substraturi de grafit, avantajele sale includ:
1) SiC este rezistent la coroziune și poate încapsula complet substratul de grafit. Densitatea sa mare previne deteriorarea cauzată de gazele corozive.
2) SiC are o conductivitate termică ridicată și o rezistență puternică la legarea cu substratul de grafit, asigurând că acoperirea rămâne intactă chiar și după cicluri repetate de temperatură înaltă-scăzută.
3) SiC posedă o stabilitate chimică excelentă, prevenind deteriorarea stratului de acoperire în atmosfere corozive la temperaturi ridicate.
În plus, cuptoarele epitaxiale fabricate din materiale diferite necesită tăvi de grafit cu specificații de performanță specifice. Coeficientul de dilatare termică al materialului de grafit trebuie să fie compatibil cu temperatura de creștere a cuptorului epitaxial. De exemplu, deoarece temperatura de creștere pentru epitaxia carburii de siliciu este ridicată, sunt necesare tăvi cu un grad ridicat de potrivire a coeficientului de dilatare termică. Coeficientul de dilatare termică al SiC diferă foarte puțin de cel al grafitului, ceea ce îl face materialul preferat pentru acoperirea suprafeței substraturilor de grafit.
SiC există în mai multe forme cristaline, cele mai comune fiind în prezent tipurile 3C, 4H și 6H, fiecare deservind aplicații diferite. De exemplu, 4H-SiC este utilizat pentru fabricarea dispozitivelor de mare putere; 6H-SiC este cel mai stabil și este utilizat pentru fabricarea dispozitivelor optoelectronice; iar 3C-SiC, datorită similarității sale structurale cu GaN, este utilizat pentru a produce straturi epitaxiale de GaN pentru fabricarea dispozitivelor RF SiC-GaN. 3C-SiC este denumit în mod obișnuit și β-SiC. O aplicație cheie a β-SiC este ca material pentru pelicule subțiri și acoperire; în consecință, β-SiC este în prezent materialul principal utilizat pentru acoperiri.
Fiind un consumabil obișnuit în producția de semiconductori, acoperirile de SiC sunt utilizate în principal în procese precum pregătirea substratului, epitaxia, oxidarea și difuzia, gravarea și implantarea ionilor. Proprietățile fizice și chimice ale acoperirii trebuie să îndeplinească cerințe stricte de rezistență la temperaturi ridicate și rezistență la coroziune, deoarece acestea au un impact direct asupra randamentului și duratei de viață a produsului. Prin urmare, pregătirea acoperirilor de SiC este esențială.
Procedeu de preparare a acoperirilor cu carbură de siliciu
În prezent, principalele metode de preparare a acoperirilor de SiC includ metoda sol-gel, metoda de încorporare, acoperirea cu pensula, pulverizarea cu plasmă, reacția chimică de vapori (CVR) și depunerea chimică de vapori (CVD).
Metoda de încorporare
Această metodă este un tip de sinterizare în stare solidă la temperatură înaltă. Folosește în principal un amestec de pulbere de siliciu (Si) și pulbere de carbon (C) ca pulbere de încorporare. Un substrat de grafit este plasat în interiorul pulberii de încorporare și sinterizat la temperaturi ridicate într-o atmosferă de gaz inert, formând în cele din urmă un strat de SiC pe suprafața substratului de grafit. Această metodă se caracterizează prin faptul că procesul este simplu și prin aderența bună dintre strat și substrat; cu toate acestea, stratul prezintă o uniformitate slabă de-a lungul direcției grosimii și este predispus la dezvoltarea a numeroși pori, rezultând o rezistență slabă la oxidare.
Metoda de acoperire cu pensulă
Metoda de acoperire cu pensula implică în principal aplicarea de materie primă lichidă pe suprafața substratului de grafit, urmată de întărirea materialului la o temperatură specifică pentru a forma acoperirea. Această metodă este simplă și rentabilă; cu toate acestea, acoperirea rezultată prezintă o aderență slabă la substrat, o uniformitate redusă și este relativ subțire, cu o rezistență scăzută la oxidare, necesitând metode suplimentare.
Metoda de pulverizare cu plasmă
Metoda de pulverizare cu plasmă implică utilizarea unui pistol cu plasmă pentru a pulveriza materie primă topită sau semi-topită pe suprafața substratului de grafit, care apoi se solidifică și se leagă pentru a forma un strat de acoperire. Această metodă este ușor de utilizat și poate produce acoperiri relativ dense din carbură de siliciu; cu toate acestea, acoperirile rezultate sunt adesea prea subțiri, ceea ce duce la o rezistență slabă la oxidare. Prin urmare, este în general utilizată în prepararea acoperirilor compozite SiC pentru a îmbunătăți calitatea acoperirii.
Metoda Gel-Sol
Metoda gel-sol implică în principal prepararea unei soluții sol uniforme și transparente pentru a acoperi suprafața substratului. După uscarea într-un gel, materialul este sinterizat pentru a forma stratul de acoperire. Această metodă este simplu de utilizat și relativ ieftină; cu toate acestea, straturile de acoperire rezultate suferă de dezavantaje, cum ar fi rezistența scăzută la șocuri termice și tendința de a crăpa, ceea ce limitează aplicarea lor pe scară largă.
Metoda reacției chimice de vapori (CVR)
CVR utilizează în principal pulberi de Si și SiO₂ pentru a genera vapori de SiO₂ la temperaturi ridicate, declanșând o serie de reacții chimice pe suprafața substratului de Si pentru a forma un strat de SiC. Stratul de SiC produs prin această metodă se leagă strâns de substrat; cu toate acestea, temperatura de reacție este ridicată, iar costul este, de asemenea, relativ ridicat.
Depunere chimică de vapori (CVD)
Depunerea chimică în stadiu incipient (CVD) este în prezent tehnologia principală pentru prepararea acoperirilor de SiC pe suprafețele substraturilor. Procesul principal implică o serie de reacții fizico-chimice între reactanții gazoși și suprafața substratului, rezultând în cele din urmă depunerea unui strat de SiC. Acoperirile de SiC produse prin tehnologia CVD se lipesc strâns de suprafața substratului și pot îmbunătăți eficient rezistența la oxidare și rezistența la ablație a materialului substrat; cu toate acestea, această metodă necesită un timp de depunere relativ lung, iar gazele de reacție conțin anumite componente toxice.
Tendințe în acoperirile cu SiC
Acoperirile cu SiC sunt utilizate în principal ca și consumabile în fabricarea semiconductorilor, iar printre indicatorii cheie de performanță se numără uniformitatea acoperirii, coeficientul de dilatare termică și conductivitatea termică. Deși există o cerere internă semnificativă pentru acoperiri cu SiC în China, tehnologia rămâne imatură. În străinătate, o singură companie americană operează în acest domeniu, iar produsele sale sunt relativ scumpe.
Bărci de cristalsunt consumabile utilizate în producția epitaxială care pot înlocui grafitul acoperit cu SiC, deși volumul pieței este mic. Următorul este grafitul acoperit cu TaC, care oferă o rezistență mai bună la coroziune chimică decât grafitul simplu sau grafitul acoperit cu SiC, dar este prohibitiv de scump și se află încă în stadii incipiente de dezvoltare. În prezent, companii autohtone precumsemiconductor Liufang, SemicierășiVetek Semiconductorsunt implicate în cercetare și dezvoltare în acest domeniu.
Data publicării: 20 mai 2026