Эпитаксиальный слой — это специфическая тонкая пленка из монокристалла, выращенная на подложке методом эпитаксиального роста; подложка и эпитаксиальная пленка вместе называются эпитаксиальной пластиной. В частности, выращивание эпитаксиального слоя карбида кремния на проводящей подложке из карбида кремния позволяет получить однородную эпитаксиальную пластину из карбида кремния, из которой затем можно изготавливать силовые устройства, такие как диоды Шоттки, MOSFET и IGBT. Наиболее широко используемым типом подложки является подложка из 4H-SiC.
Поскольку практически все устройства изготавливаются на эпитаксиальных слоях, качество эпитаксиального слоя оказывает существенное влияние на характеристики устройства. Однако качество эпитаксиального слоя зависит от обработки кристалла и подложки, что ставит его на критически важный уровень в отрасли и играет ключевую роль в ее развитии.
К основным методам получения эпитаксиальных слоев карбида кремния относятся: осаждение из паровой фазы; жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ); молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ); и химическое осаждение из паровой фазы (ХЛГ). Среди них химическое осаждение из паровой фазы (ХЛГ) является наиболее широко используемым методом для гомогенной эпитаксии 4H-SiC. Эпитаксия 4H-SiC методом ХЛГ обычно осуществляется с использованием оборудования для ХЛГ, которое обеспечивает непрерывность кристаллической структуры 4H-SiC при высоких температурах роста.
В оборудовании для химического осаждения из газовой фазы (CVD) подложку нельзя размещать непосредственно на металлической поверхности или просто на основании для эпитаксиального осаждения, поскольку это включает в себя различные влияющие факторы, такие как направление потока газа (горизонтальное, вертикальное), температура, давление, фиксация и загрязнение от отслаивающихся частиц. Поэтому требуется опорное основание; подложка помещается на поднос, и затем на подложке выполняется эпитаксиальное осаждение с использованием технологии CVD. В качестве опорного основания используется графитовая основа с покрытием из карбида кремния (SiC).
Графитовая подложка, являясь основным компонентом, обладает высокой удельной прочностью и модулем упругости, а также хорошей термостойкостью и коррозионной стойкостью. Однако в процессе производства графит подвергается коррозии и отслаиванию порошка из-за воздействия коррозионных газов и остаточных металлоорганических соединений, что значительно сокращает срок службы подложки. В то же время отслаивающийся графитовый порошок может загрязнять чипы. В производстве эпитаксиальных пластин из карбида кремния становится все сложнее соответствовать постоянно ужесточающимся требованиям к графитовым материалам, что серьезно ограничивает их развитие и практическое применение. Следовательно,технология нанесения покрытийпоявилось в качестве решения.
Преимущества покрытий из карбида кремния в полупроводниковой промышленности
Физические и химические свойства покрытий должны соответствовать строгим требованиям к высокотемпературной и коррозионной стойкости, поскольку это напрямую влияет на выход годной продукции и срок ее службы. Материал SiC обладает высокой прочностью, высокой твердостью, низким коэффициентом теплового расширения и превосходной теплопроводностью, что делает его важным высокотемпературным конструкционным и полупроводниковым материалом. При нанесении на графитовые подложки его преимущества включают:
1) Карбид кремния (SiC) устойчив к коррозии и может полностью покрывать графитовую подложку. Его высокая плотность предотвращает повреждения от коррозионных газов.
2) Карбид кремния обладает высокой теплопроводностью и прочным сцеплением с графитовой подложкой, что обеспечивает целостность покрытия даже после многократных циклов высоких и низких температур.
3) Карбид кремния обладает превосходной химической стабильностью, предотвращая разрушение покрытия в высокотемпературных коррозионных средах.
Кроме того, для эпитаксиальных печей, изготовленных из различных материалов, требуются графитовые подложки со специфическими характеристиками. Коэффициент теплового расширения графитового материала должен соответствовать температуре роста в эпитаксиальной печи. Например, поскольку температура роста при эпитаксии карбида кремния высока, требуются подложки с высокой степенью соответствия коэффициента теплового расширения. Коэффициент теплового расширения SiC очень мало отличается от коэффициента теплового расширения графита, что делает его предпочтительным материалом для покрытия поверхности графитовых подложек.
Карбид кремния (SiC) существует в нескольких кристаллических формах, наиболее распространенными из которых в настоящее время являются типы 3C, 4H и 6H, каждая из которых используется в различных областях. Например, 4H-SiC используется для производства мощных устройств; 6H-SiC является наиболее стабильным и используется для производства оптоэлектронных устройств; а 3C-SiC, благодаря своему структурному сходству с GaN, используется для получения эпитаксиальных слоев GaN для производства радиочастотных устройств SiC-GaN. 3C-SiC также часто называют β-SiC. Ключевым применением β-SiC является использование в качестве материала для тонких пленок и покрытий; следовательно, β-SiC в настоящее время является основным материалом, используемым для покрытий.
Покрытия из карбида кремния (SiC), являясь распространенным расходным материалом в полупроводниковом производстве, в основном используются в таких процессах, как подготовка подложек, эпитаксия, окисление и диффузия, травление и ионная имплантация. Физические и химические свойства покрытия должны соответствовать строгим требованиям к термостойкости и коррозионной стойкости, поскольку это напрямую влияет на выход годной продукции и срок ее службы. Следовательно, подготовка покрытий из SiC имеет решающее значение.
Способ получения покрытий из карбида кремния
В настоящее время основными методами получения покрытий из карбида кремния являются золь-гель метод, метод внедрения, нанесение кистью, плазменное напыление, химическая реакция в паровой фазе (CVR) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD).
Метод встраивания
Этот метод представляет собой разновидность высокотемпературного твердотельного спекания. В качестве затравки в основном используется смесь порошка кремния (Si) и порошка углерода (C). Графитовая подложка помещается в затравку и спекается при высоких температурах в атмосфере инертного газа, в результате чего на поверхности графитовой подложки образуется покрытие из карбида кремния (SiC). Этот метод отличается простотой процесса и хорошей адгезией между покрытием и подложкой; однако покрытие имеет плохую однородность по толщине и склонно к образованию многочисленных пор, что приводит к низкой стойкости к окислению.
Метод нанесения покрытия кистью
Метод нанесения покрытия кистью в основном включает нанесение жидкого сырья на поверхность графитовой подложки с последующим отверждением материала при определенной температуре для образования покрытия. Этот метод прост и экономически эффективен; однако полученное покрытие обладает слабой адгезией к подложке, плохой однородностью, относительно тонким слоем и низкой стойкостью к окислению, что требует применения дополнительных методов.
Метод плазменного напыления
Метод плазменного напыления предполагает использование плазменного пистолета для распыления расплавленного или полурасплавленного сырья на поверхность графитовой подложки, которое затем затвердевает и образует покрытие. Этот метод прост в эксплуатации и позволяет получать относительно плотные покрытия из карбида кремния; однако получаемые покрытия часто слишком тонкие, что приводит к низкой стойкости к окислению. Поэтому он обычно используется при изготовлении композитных покрытий из карбида кремния для улучшения качества покрытия.
Метод гель-золь
Метод гель-золь в основном заключается в приготовлении однородного, прозрачного золь-раствора для нанесения покрытия на поверхность подложки. После высыхания до гелеобразного состояния материал спекается для образования покрытия. Этот метод прост в применении и относительно недорог; однако получаемые покрытия имеют такие недостатки, как низкая термостойкость и склонность к растрескиванию, что ограничивает их широкое применение.
Метод химической парофазной реакции (CVR)
Технология CVR в основном использует порошки Si и SiO₂ для генерации паров SiO₂ при высоких температурах, что запускает ряд химических реакций на поверхности кремниевой подложки с образованием покрытия SiC. Полученное таким методом покрытие SiC прочно сцепляется с подложкой; однако температура реакции высока, и стоимость также относительно высока.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
В настоящее время CVD-технология является основной для получения SiC-покрытий на поверхности подложек. Основной процесс включает в себя ряд физико-химических реакций между газообразными реагентами и поверхностью подложки, в конечном итоге приводящих к осаждению SiC-покрытия. SiC-покрытия, полученные с помощью CVD-технологии, прочно связываются с поверхностью подложки и могут эффективно улучшить стойкость материала подложки к окислению и абляции; однако этот метод требует относительно длительного времени осаждения, а реакционные газы содержат определенные токсичные компоненты.
Тенденции в области покрытий из карбида кремния
Покрытия из карбида кремния (SiC) в основном используются в качестве расходных материалов в полупроводниковом производстве, при этом ключевыми показателями эффективности являются однородность покрытия, коэффициент теплового расширения и теплопроводность. Хотя в Китае существует значительный внутренний спрос на покрытия из SiC, технология остается недостаточно развитой. За рубежом в этой области работает только одна американская компания, и ее продукция относительно дорога.
Хрустальные лодкиЭто расходные материалы, используемые в эпитаксиальном производстве, которые могут заменить графит с покрытием из карбида кремния (SiC), хотя объем рынка невелик. Далее следует графит с покрытием из карбида тантала (TaC), который обладает лучшей химической коррозионной стойкостью, чем чистый графит или графит с покрытием из SiC, но он непомерно дорог и все еще находится на ранних стадиях разработки. В настоящее время отечественные компании, такие как...Люфан полупроводниковый, Семицера, иVetek Semiconductorзанимаются исследованиями и разработками в этой области.
Дата публикации: 20 мая 2026 г.