Epitaksialna plast je specifičen tanek monokristalni film, vzgojen na rezininem substratu z epitaksialnim postopkom; substratna rezina in epitaksialni film se skupaj imenujeta epitaksialna rezina. Med njimi gojenje epitaksialne plasti silicijevega karbida na prevodnem silicijevem karbidnem substratu ustvari homogeno silicijev karbidno epitaksialno rezino, ki jo je mogoče nadalje izdelati v močnostne naprave, kot so Schottkyjeve diode, MOSFET-i in IGBT-ji. Najpogosteje uporabljena vrsta substrata je substrat 4H-SiC.
Ker so praktično vse naprave izdelane na epitaksialnih plasteh, ima kakovost epitaksialne plasti pomemben vpliv na delovanje naprave. Vendar pa na kakovost epitaksialne plasti vpliva obdelava kristalov in substratov, zaradi česar je na kritičnem mestu v industriji in igra ključno vlogo pri njenem razvoju.
Primarne metode za pripravo epitaksialnih plasti silicijevega karbida vključujejo: nanašanje s paro, epitaksijo tekoče faze (LPE), molekularno žarkovno epitaksijo (MBE) in kemično nanašanje s paro (CVD). Med njimi je kemično nanašanje s paro (CVD) najpogosteje uporabljena metoda za homogeno epitaksijo 4H-SiC. Epitaksija 4H-SiC CVD običajno uporablja opremo CVD, ki zagotavlja kontinuiteto kristalne strukture 4H-SiC pri visokih temperaturah rasti.
V CVD opremi substrata ni mogoče namestiti neposredno na kovinsko površino ali preprosto na podlago za epitaksialno nanašanje, saj to vključuje različne vplivne dejavnike, kot so smer pretoka plina (vodoravno, navpično), temperatura, tlak, fiksacija in kontaminacija zaradi odpadajočih delcev. Zato je potrebna podporna podlaga; substrat se namesti na pladenj, nato pa se na substrat s tehnologijo CVD izvede epitaksialno nanašanje. Ta podporna podlaga je grafitna podlaga s prevleko SiC.
Grafitni substrat kot osrednja komponenta ima visoko specifično trdnost in specifični modul, pa tudi dobro odpornost proti toplotnim udarcem in koroziji. Vendar pa je grafit med proizvodnjo podvržen koroziji in luščenju prahu zaradi korozivnih plinov in preostalih organometalnih spojin, kar znatno skrajša življenjsko dobo substrata. Hkrati lahko luščeni grafitni prah kontaminira odrezke. Pri proizvodnji epitaksialnih rezin silicijevega karbida je vse težje izpolnjevati vse strožje zahteve za grafitne materiale, kar močno omejuje njihov razvoj in praktično uporabo. Posledično,tehnologija premazovanjase je pojavila kot rešitev.
Prednosti SiC premazov v polprevodniški industriji
Fizikalne in kemijske lastnosti premazov morajo izpolnjevati stroge zahteve glede odpornosti proti visokim temperaturam in koroziji, saj te neposredno vplivajo na izkoristek in življenjsko dobo izdelka. Material SiC ima visoko trdnost, visoko trdoto, nizek koeficient toplotnega raztezanja in odlično toplotno prevodnost, zaradi česar je ključni strukturni in polprevodniški material za visoke temperature. Pri uporabi na grafitni podlagi so njegove prednosti:
1) SiC je odporen proti koroziji in lahko popolnoma obda grafitno podlago. Njegova visoka gostota preprečuje poškodbe zaradi korozivnih plinov.
2) SiC ima visoko toplotno prevodnost in močno vezavo z grafitno podlago, kar zagotavlja, da prevleka ostane nedotaknjena tudi po ponavljajočih se ciklih visokih in nizkih temperatur.
3) SiC ima odlično kemijsko stabilnost, kar preprečuje odpoved prevleke v visokotemperaturnih, korozivnih atmosferah.
Poleg tega epitaksialne peči iz različnih materialov zahtevajo grafitne pladnje s posebnimi specifikacijami delovanja. Koeficient toplotnega raztezanja grafitnega materiala mora biti združljiv s temperaturo rasti epitaksialne peči. Na primer, ker je temperatura rasti za epitaksijo silicijevega karbida visoka, so potrebni pladnji z visoko stopnjo ujemanja koeficienta toplotnega raztezanja. Koeficient toplotnega raztezanja SiC se zelo malo razlikuje od koeficienta toplotnega raztezanja grafita, zaradi česar je SiC prednostni material za premazovanje površine grafitnih substratov.
SiC obstaja v več kristalnih oblikah, pri čemer so trenutno najpogostejše vrste 3C, 4H in 6H, od katerih ima vsaka različne namene. Na primer, 4H-SiC se uporablja za izdelavo visokozmogljivih naprav; 6H-SiC je najbolj stabilen in se uporablja za izdelavo optoelektronskih naprav; 3C-SiC pa se zaradi svoje strukturne podobnosti z GaN uporablja za izdelavo epitaksialnih plasti GaN za izdelavo RF-naprav SiC-GaN. 3C-SiC se pogosto imenuje tudi β-SiC. Ključna uporaba β-SiC je kot material za tanke filme in premaze; posledično je β-SiC trenutno primarni material, ki se uporablja za premaze.
Kot pogost potrošni material v proizvodnji polprevodnikov se SiC prevleke uporabljajo predvsem v procesih, kot so priprava substratov, epitaksija, oksidacija in difuzija, jedkanje ter ionska implantacija. Fizikalne in kemijske lastnosti prevleke morajo izpolnjevati stroge zahteve glede odpornosti na visoke temperature in korozijo, saj te neposredno vplivajo na izkoristek in življenjsko dobo izdelka. Zato je priprava SiC prevlek ključnega pomena.
Postopek za pripravo premazov iz silicijevega karbida
Trenutno so glavne metode za pripravo SiC prevlek sol-gel metoda, metoda vgradnje, nanašanje s čopičem, plazemsko brizganje, kemijska reakcija s paro (CVR) in kemijsko nanašanje s paro (CVD).
Metoda vdelave
Ta metoda je vrsta visokotemperaturnega sintranja v trdnem stanju. V glavnem uporablja mešanico silicijevega (Si) prahu in ogljikovega (C) prahu kot vgradni prašek. Grafitni substrat se namesti v vgradni prašek in se sintra pri visokih temperaturah v atmosferi inertnega plina, pri čemer se na površini grafitnega substrata tvori prevleka SiC. Ta metoda ima preprost postopek in dober oprijem med prevleko in substratom; vendar pa prevleka kaže slabo enakomernost vzdolž smeri debeline in je nagnjena k nastanku številnih por, kar ima za posledico slabo odpornost proti oksidaciji.
Metoda nanašanja s čopičem
Metoda nanašanja s čopičem v osnovi vključuje nanos tekoče surovine na površino grafitnega substrata, ki mu sledi strjevanje materiala pri določeni temperaturi, da se tvori prevleka. Ta metoda je preprosta in stroškovno učinkovita; vendar ima nastala prevleka slabo oprijemljivost na substrat, slabo enakomernost in je relativno tanka z nizko odpornostjo na oksidacijo, kar zahteva dodatne metode.
Metoda plazemskega brizganja
Metoda plazemskega brizganja vključuje uporabo plazemske pištole za brizganje staljene ali polstaljene surovine na površino grafitnega substrata, ki se nato strdi in veže ter tvori prevleko. Ta metoda je enostavna za uporabo in lahko ustvari relativno goste prevleke silicijevega karbida; vendar so nastale prevleke pogosto pretanke, kar vodi do slabe odpornosti proti oksidaciji. Zato se običajno uporablja pri pripravi kompozitnih prevlek SiC za izboljšanje kakovosti prevleke.
Metoda gel-sol
Metoda gel-sol v prvi vrsti vključuje pripravo enakomerne, prozorne raztopine sola za premaz površine substrata. Po sušenju v gel se material sintra, da se tvori premaz. Ta metoda je preprosta za uporabo in relativno poceni; vendar imajo nastali premazi pomanjkljivosti, kot sta nizka odpornost na toplotne šoke in nagnjenost k razpokanju, kar omejuje njihovo široko uporabo.
Metoda kemijske parne reakcije (CVR)
CVR v glavnem uporablja prahove Si in SiO₂ za ustvarjanje hlapov SiO₂ pri visokih temperaturah, kar sproži vrsto kemičnih reakcij na površini Si substrata in tvori SiC prevleko. SiC prevleka, izdelana s to metodo, se tesno veže na substrat; vendar je reakcijska temperatura visoka, stroški pa so tudi relativno visoki.
Kemično nanašanje iz parne tekočine (CVD)
CVD je trenutno primarna tehnologija za pripravo SiC prevlek na površinah substratov. Glavni postopek vključuje vrsto fizikalno-kemijskih reakcij med plinastimi reaktanti in površino substrata, kar na koncu povzroči nanašanje SiC prevleke. SiC prevleke, izdelane s CVD tehnologijo, se tesno vežejo na površino substrata in lahko učinkovito izboljšajo odpornost substrata proti oksidaciji in ablaciji; vendar ta metoda zahteva relativno dolg čas nanašanja, reakcijski plini pa vsebujejo nekatere strupene sestavine.
Trendi v premazih SiC
SiC premazi se uporabljajo predvsem kot potrošni material v proizvodnji polprevodnikov, pri čemer so ključni kazalniki učinkovitosti enakomernost premaza, koeficient toplotnega raztezanja in toplotna prevodnost. Čeprav je na Kitajskem veliko domače povpraševanje po SiC premazih, je tehnologija še vedno nerazvita. V tujini na tem področju deluje le eno ameriško podjetje, njegovi izdelki pa so relativno dragi.
Kristalni čolniso potrošni materiali, ki se uporabljajo v epitaksialni proizvodnji in lahko nadomestijo grafit s prevleko SiC, čeprav je obseg trga majhen. Sledi grafit s prevleko TaC, ki ponuja boljšo kemično odpornost proti koroziji kot goli grafit ali grafit s prevleko SiC, vendar je predrag in še vedno v zgodnjih fazah razvoja. Trenutno domača podjetja, kot soPolprevodnik Liufang, SemicerainVetek Semiconductorse ukvarjajo z raziskavami in razvojem na tem področju.
Čas objave: 20. maj 2026