Epitaxná vrstva je špecifický tenký film z monokryštálov vypestovaný na substráte z karbidu kremíka epitaxným procesom; substrátový substrát a epitaxný film sa súhrnne označujú ako epitaxný substrát. V tomto prípade pestovanie epitaxnej vrstvy karbidu kremíka na vodivom substráte z karbidu kremíka vytvára homogénny epitaxný substrát z karbidu kremíka, ktorý sa môže ďalej spracovávať na výkonové zariadenia, ako sú Schottkyho diódy, MOSFETy a IGBT. Najpoužívanejším typom substrátu je substrát 4H-SiC.
Keďže prakticky všetky zariadenia sú vyrábané na epitaxných vrstvách, kvalita epitaxnej vrstvy má významný vplyv na výkon zariadenia. Kvalitu epitaxnej vrstvy však ovplyvňuje spracovanie kryštálov a substrátov, čo ju stavia do kritického bodu v tomto odvetví a zohráva kľúčovú úlohu v jeho vývoji.
Medzi hlavné metódy prípravy epitaxných vrstiev karbidu kremíka patria: depozícia z plynnej fázy, epitaxia v kvapalnej fáze (LPE), epitaxia molekulárnym lúčom (MBE) a chemická depozícia z plynnej fázy (CVD). Medzi nimi je chemická depozícia z plynnej fázy (CVD) najpoužívanejšou metódou pre homogénnu epitaxiu 4H-SiC. CVD epitaxia 4H-SiC typicky využíva CVD zariadenie, ktoré zabezpečuje kontinuitu kryštálovej štruktúry 4H-SiC pri vysokých rastových teplotách.
V CVD zariadeniach nie je možné substrát umiestniť priamo na kovový povrch alebo jednoducho umiestniť na základňu pre epitaxnú depozíciu, pretože to zahŕňa rôzne ovplyvňujúce faktory, ako je smer prúdenia plynu (horizontálny, vertikálny), teplota, tlak, fixácia a kontaminácia od uvoľňujúcich sa častíc. Preto je potrebná nosná základňa; substrát sa umiestni na misku a epitaxná depozícia sa potom vykoná na substráte pomocou CVD technológie. Táto nosná základňa je grafitová základňa s povlakom SiC.
Grafitový substrát ako hlavná zložka sa vyznačuje vysokou špecifickou pevnosťou a špecifickým modulom, ako aj dobrou odolnosťou voči tepelným šokom a korózii. Počas výroby je však grafit náchylný na koróziu a odlupovanie prášku v dôsledku korozívnych plynov a zvyškových organokovových zlúčenín, čo výrazne znižuje životnosť substrátu. Zároveň môže odlupujúci sa grafitový prášok kontaminovať triesky. Pri výrobe epitaxných doštičiek z karbidu kremíka je čoraz ťažšie splniť stále prísnejšie požiadavky na grafitové materiály, čo výrazne obmedzuje ich vývoj a praktické využitie. V dôsledku toho,technológia povrchovej úpravysa ukázalo ako riešenie.
Výhody SiC povlakov v polovodičovom priemysle
Fyzikálne a chemické vlastnosti povlakov musia spĺňať prísne požiadavky na odolnosť voči vysokým teplotám a korózii, pretože tieto faktory priamo ovplyvňujú výťažnosť a životnosť produktu. Materiál SiC má vysokú pevnosť, vysokú tvrdosť, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti a vynikajúcu tepelnú vodivosť, vďaka čomu je kľúčovým vysokoteplotným konštrukčným a polovodičovým materiálom. Pri aplikácii na grafitové substráty medzi jeho výhody patria:
1) SiC je odolný voči korózii a dokáže úplne obaliť grafitový substrát. Jeho vysoká hustota zabraňuje poškodeniu korozívnymi plynmi.
2) SiC má vysokú tepelnú vodivosť a silnú väzbovú pevnosť s grafitovým substrátom, čo zabezpečuje, že povlak zostane neporušený aj po opakovaných cykloch vysokej a nízkej teploty.
3) SiC má vynikajúcu chemickú stabilitu, ktorá zabraňuje poškodeniu povlaku vo vysokoteplotných a korozívnych prostrediach.
Okrem toho epitaxné pece vyrobené z rôznych materiálov vyžadujú grafitové misky so špecifickými výkonnostnými špecifikáciami. Koeficient tepelnej rozťažnosti grafitového materiálu musí byť kompatibilný s rastovou teplotou epitaxnej pece. Napríklad, keďže rastová teplota pre epitaxiu karbidu kremíka je vysoká, sú potrebné misky s vysokým stupňom zodpovedajúceho koeficientu tepelnej rozťažnosti. Koeficient tepelnej rozťažnosti SiC sa veľmi málo líši od koeficientu tepelnej rozťažnosti grafitu, čo z neho robí preferovaný materiál na poťahovanie povrchu grafitových substrátov.
SiC existuje vo viacerých kryštalických formách, pričom najbežnejšie sú v súčasnosti typy 3C, 4H a 6H, pričom každá slúži na rôzne aplikácie. Napríklad 4H-SiC sa používa na výrobu vysokovýkonných zariadení; 6H-SiC je najstabilnejší a používa sa na výrobu optoelektronických zariadení; a 3C-SiC sa vďaka svojej štrukturálnej podobnosti s GaN používa na výrobu epitaxných vrstiev GaN na výrobu RF zariadení SiC-GaN. 3C-SiC sa tiež bežne označuje ako β-SiC. Kľúčovou aplikáciou β-SiC je ako tenkovrstvový a povlakový materiál; v dôsledku toho je β-SiC v súčasnosti primárnym materiálom používaným na povlaky.
Ako bežný spotrebný materiál pri výrobe polovodičov sa povlaky SiC používajú predovšetkým v procesoch, ako je príprava substrátu, epitaxia, oxidácia a difúzia, leptanie a iónová implantácia. Fyzikálne a chemické vlastnosti povlaku musia spĺňať prísne požiadavky na odolnosť voči vysokým teplotám a korózii, pretože tieto vlastnosti priamo ovplyvňujú výťažnosť a životnosť produktu. Preto je príprava povlakov SiC kritická.
Postup prípravy povlakov z karbidu kremíka
V súčasnosti medzi hlavné metódy prípravy SiC povlakov patrí sol-gelová metóda, metóda zalievania, nanášanie štetcom, plazmové striekanie, chemická reakcia z pár (CVR) a chemická depozícia z pár (CVD).
Metóda vkladania
Táto metóda je typom vysokoteplotného spekania v tuhom skupenstve. Primárne používa zmes kremíkového (Si) prášku a uhlíkového (C) prášku ako zalievací prášok. Grafitový substrát sa umiestni do zalievacieho prášku a speká sa pri vysokých teplotách v atmosfére inertného plynu, čím sa na povrchu grafitového substrátu vytvorí povlak SiC. Táto metóda sa vyznačuje jednoduchým procesom a dobrou priľnavosťou medzi povlakom a substrátom; povlak však vykazuje nízku rovnomernosť pozdĺž smeru hrúbky a je náchylný na tvorbu početných pórov, čo vedie k nízkej odolnosti voči oxidácii.
Metóda nanášania štetcom
Metóda nanášania štetcom zahŕňa predovšetkým nanášanie tekutej suroviny na povrch grafitového substrátu, po ktorom nasleduje vytvrdzovanie materiálu pri určitej teplote za vzniku povlaku. Táto metóda je jednoduchá a nákladovo efektívna; výsledný povlak však vykazuje slabú priľnavosť k substrátu, nízku rovnomernosť a je relatívne tenký s nízkou odolnosťou proti oxidácii, čo si vyžaduje doplnkové metódy.
Metóda plazmového striekania
Metóda plazmového striekania zahŕňa použitie plazmovej pištole na striekanie roztavenej alebo poloroztavenej suroviny na povrch grafitového substrátu, ktorá potom stuhne a spojí sa za vzniku povlaku. Táto metóda je jednoduchá na obsluhu a umožňuje vytvárať relatívne husté povlaky karbidu kremíka; výsledné povlaky sú však často príliš tenké, čo vedie k nízkej odolnosti voči oxidácii. Preto sa všeobecne používa pri príprave kompozitných povlakov SiC na zlepšenie kvality povlaku.
Metóda gél-sol
Metóda gél-sol zahŕňa predovšetkým prípravu rovnomerného, transparentného roztoku sólu na nanesenie povlaku na povrch substrátu. Po vysušení do gélovej formy sa materiál speká, čím sa vytvorí povlak. Táto metóda je jednoduchá na použitie a relatívne lacná; výsledné povlaky však trpia nevýhodami, ako je nízka odolnosť voči tepelným šokom a tendencia k praskaniu, čo obmedzuje ich široké použitie.
Metóda chemickej reakcie s párami (CVR)
CVR využíva predovšetkým prášky Si a SiO₂ na generovanie pár SiO₂ pri vysokých teplotách, čím sa spúšťa séria chemických reakcií na povrchu Si substrátu za vzniku SiC povlaku. SiC povlak vyrobený touto metódou sa pevne viaže k substrátu; reakčná teplota je však vysoká a náklady sú tiež relatívne vysoké.
Chemické nanášanie z pár (CVD)
CVD je v súčasnosti primárnou technológiou na prípravu SiC povlakov na povrchoch substrátov. Hlavný proces zahŕňa sériu fyzikálno-chemických reakcií medzi plynnými reaktantami a povrchom substrátu, ktorých konečným výsledkom je nanesenie SiC povlaku. SiC povlaky vyrobené CVD technológiou sa pevne viažu k povrchu substrátu a môžu účinne zlepšiť odolnosť substrátu voči oxidácii a odolnosť voči ablácii; táto metóda si však vyžaduje relatívne dlhý čas nanášania a reakčné plyny obsahujú určité toxické zložky.
Trendy v povlakoch SiC
Povlaky SiC sa používajú predovšetkým ako spotrebný materiál pri výrobe polovodičov, pričom kľúčovými ukazovateľmi výkonnosti je rovnomernosť povlaku, koeficient tepelnej rozťažnosti a tepelná vodivosť. Hoci v Číne existuje značný domáci dopyt po povlakoch SiC, táto technológia je stále nedozretá. V zahraničí v tejto oblasti pôsobí iba jedna americká spoločnosť a jej produkty sú relatívne drahé.
Krištáľové lodesú spotrebné materiály používané v epitaxnej výrobe, ktoré môžu nahradiť grafit s povlakom SiC, hoci objem trhu je malý. Ďalším je grafit s povlakom TaC, ktorý ponúka lepšiu chemickú odolnosť proti korózii ako holý grafit alebo grafit s povlakom SiC, ale je neúmerne drahý a stále je v počiatočných štádiách vývoja. V súčasnosti domáce spoločnosti ako napr.Polovodič Liufang, SemiceraaVetek Semiconductorsa zaoberajú výskumom a vývojom v tejto oblasti.
Čas uverejnenia: 20. mája 2026