Ett epitaxiellt lager är en specifik tunn enkristallfilm som odlas på ett wafersubstrat genom en epitaxial process; substratwafern och den epitaxiella filmen kallas gemensamt för en epitaxial wafer. Bland dessa producerar odling av ett epitaxiellt kiselkarbidlager på ett ledande kiselkarbidsubstrat en homogen epitaxial wafer av kiselkarbid, som vidare kan tillverkas till kraftkomponenter såsom Schottky-dioder, MOSFET:er och IGBT:er. Den mest använda substrattypen är 4H-SiC-substratet.
Eftersom praktiskt taget alla komponenter tillverkas på epitaxiella lager har kvaliteten på det epitaxiella lagret en betydande inverkan på komponenternas prestanda. Kvaliteten på det epitaxiella lagret påverkas dock av kristall- och substratbearbetning, vilket placerar det i en kritisk tidpunkt i branschen och spelar en avgörande roll i dess utveckling.
De primära metoderna för att framställa epitaxiella skikt av kiselkarbid inkluderar: ångdeponering; vätskefasepitaxi (LPE); molekylärstråleepitaxi (MBE); och kemisk ångdeponering (CVD). Bland dessa är kemisk ångdeponering (CVD) den mest använda metoden för homogen 4H-SiC-epitaxi. 4H-SiC CVD-epitaxi använder vanligtvis CVD-utrustning, vilket säkerställer kontinuiteten i 4H-SiC-kristallstrukturen under höga tillväxttemperaturer.
I CVD-utrustning kan substratet inte placeras direkt på en metallyta eller helt enkelt placeras på en bas för epitaxiell deponering, eftersom detta involverar olika påverkande faktorer såsom gasflödesriktning (horisontell, vertikal), temperatur, tryck, fixering och kontaminering från avgivande partiklar. Därför krävs en stödbas; substratet placeras på en bricka, och epitaxiell deponering utförs sedan på substratet med hjälp av CVD-teknik. Denna stödbas är en SiC-belagd grafitbas.
Som en kärnkomponent har grafitsubstratet hög specifik hållfasthet och specifik modul, samt god termisk chock- och korrosionsbeständighet. Under produktionen utsätts dock grafiten för korrosion och pulveravgivning på grund av korrosiva gaser och kvarvarande organometalliska föreningar, vilket avsevärt minskar substratets livslängd. Samtidigt kan det avgivna grafitpulvret förorena chipsen. Vid produktion av epitaxialskivor av kiselkarbid har det blivit allt svårare att uppfylla de allt strängare kraven på grafitmaterial, vilket kraftigt begränsar deras utveckling och praktiska tillämpning. Följaktligen,beläggningsteknikhar framträtt som en lösning.
Fördelar med SiC-beläggningar inom halvledarindustrin
Beläggningarnas fysikaliska och kemiska egenskaper måste uppfylla strikta krav på högtemperatur- och korrosionsbeständighet, eftersom dessa direkt påverkar produktens utbyte och livslängd. SiC-materialet har hög hållfasthet, hög hårdhet, låg värmeutvidgningskoefficient och utmärkt värmeledningsförmåga, vilket gör det till ett kritiskt strukturellt och halvledarmaterial för höga temperaturer. Vid applicering på grafitsubstrat inkluderar dess fördelar:
1) SiC är korrosionsbeständigt och kan inkapsla grafitsubstratet helt. Dess höga densitet förhindrar skador från korrosiva gaser.
2) SiC har hög värmeledningsförmåga och stark bindningsstyrka med grafitsubstratet, vilket säkerställer att beläggningen förblir intakt även efter upprepade cykler med höga och låga temperaturer.
3) SiC har utmärkt kemisk stabilitet, vilket förhindrar beläggningsbrott i högtemperatur, korrosiva atmosfärer.
Dessutom kräver epitaxiugnar tillverkade av olika material grafitbrickor med specifika prestandaspecifikationer. Grafitmaterialets värmeutvidgningskoefficient måste vara kompatibel med epitaxiugnens tillväxttemperatur. Eftersom tillväxttemperaturen för kiselkarbidepitaxi till exempel är hög krävs brickor med en hög grad av värmeutvidgningskoefficientanpassning. Värmeutvidgningskoefficienten för SiC skiljer sig mycket lite från grafits, vilket gör det till det föredragna materialet för att belägga ytan av grafitsubstrat.
SiC finns i flera kristallformer, där de vanligaste för närvarande är 3C-, 4H- och 6H-typerna, som alla har olika tillämpningar. Till exempel används 4H-SiC för att tillverka högeffektskomponenter; 6H-SiC är den mest stabila och används för att tillverka optoelektroniska komponent; och 3C-SiC, på grund av sin strukturella likhet med GaN, används för att producera GaN-epitaxialskikt för tillverkning av SiC-GaN RF-komponenter. 3C-SiC kallas också ofta β-SiC. En viktig tillämpning av β-SiC är som tunnfilms- och beläggningsmaterial; följaktligen är β-SiC för närvarande det primära materialet som används för beläggningar.
Som en vanlig förbrukningsvara vid halvledartillverkning används SiC-beläggningar främst i processer som substratberedning, epitaxi, oxidation och diffusion, etsning och jonimplantation. Beläggningens fysikaliska och kemiska egenskaper måste uppfylla strikta krav på högtemperaturbeständighet och korrosionsbeständighet, eftersom dessa direkt påverkar produktutbyte och livslängd. Följaktligen är beredningen av SiC-beläggningar avgörande.
Process för framställning av kiselkarbidbeläggningar
För närvarande inkluderar de primära metoderna för att framställa SiC-beläggningar sol-gel-metoden, inbäddningsmetoden, penselbeläggning, plasmasprutning, kemisk ångreaktion (CVR) och kemisk ångdeponering (CVD).
Inbäddningsmetod
Denna metod är en typ av högtemperatursintring i fast tillstånd. Den använder huvudsakligen en blandning av kiselpulver (Si) och kolpulver (C) som inbäddningspulver. Ett grafitsubstrat placeras inuti inbäddningspulvret och sintras vid höga temperaturer i en inert gasatmosfär, vilket slutligen bildar en SiC-beläggning på ytan av grafitsubstratet. Denna metod har en enkel process och god vidhäftning mellan beläggningen och substratet; beläggningen uppvisar dock dålig likformighet längs tjockleksriktningen och är benägen att utveckla många porer, vilket resulterar i dålig oxidationsbeständighet.
Borstbeläggningsmetod
Penselbeläggningsmetoden innebär huvudsakligen att flytande råmaterial appliceras på ytan av grafitsubstratet, följt av härdning av materialet vid en specifik temperatur för att bilda beläggningen. Denna metod är enkel och kostnadseffektiv; den resulterande beläggningen uppvisar dock svag vidhäftning till substratet, dålig jämnhet och är relativt tunn med låg oxidationsbeständighet, vilket kräver kompletterande metoder.
Plasmasprutningsmetod
Plasmasprutningsmetoden innebär att man använder en plasmapistol för att spruta smält eller halvsmält råmaterial på ytan av grafitsubstratet, vilket sedan stelnar och binder för att bilda en beläggning. Denna metod är enkel att använda och kan producera relativt täta kiselkarbidbeläggningar; de resulterande beläggningarna är dock ofta för tunna, vilket leder till dålig oxidationsbeständighet. Därför används den generellt vid framställning av SiC-kompositbeläggningar för att förbättra beläggningskvaliteten.
Gel-Sol-metoden
Gel-sol-metoden innebär huvudsakligen att man framställer en enhetlig, transparent sollösning för att belägga substratytan. Efter att materialet torkat till en gel sintras det för att bilda beläggningen. Denna metod är enkel att använda och relativt billig; de resulterande beläggningarna har dock nackdelar som låg värmechockbeständighet och en tendens att spricka, vilket begränsar deras utbredda tillämpning.
Kemisk ångreaktionsmetod (CVR)
CVR använder huvudsakligen Si- och SiO₂-pulver för att generera SiO₂-ånga vid höga temperaturer, vilket utlöser en serie kemiska reaktioner på ytan av Si-substratet för att bilda en SiC-beläggning. SiC-beläggningen som produceras med denna metod binder tätt till substratet; reaktionstemperaturen är dock hög och kostnaden är också relativt hög.
Kemisk ångdeponering (CVD)
CVD är för närvarande den primära tekniken för att framställa SiC-beläggningar på substratytor. Huvudprocessen involverar en serie fysikalisk-kemiska reaktioner mellan gasformiga reaktanter och substratytan, vilket slutligen resulterar i avsättning av en SiC-beläggning. SiC-beläggningar som produceras med CVD-teknik binder tätt till substratytan och kan effektivt förbättra substratmaterialets oxidationsbeständighet och ablationsbeständighet; denna metod kräver dock en relativt lång avsättningstid, och reaktionsgaserna innehåller vissa giftiga komponenter.
Trender inom SiC-beläggningar
SiC-beläggningar används främst som förbrukningsvaror inom halvledartillverkning, med viktiga prestandamått som beläggningsjämnhet, värmeutvidgningskoefficient och värmeledningsförmåga. Även om det finns en betydande inhemsk efterfrågan på SiC-beläggningar i Kina, är tekniken fortfarande omogen. Utomlands är det bara ett amerikanskt företag som är verksamt inom detta område, och dess produkter är relativt dyra.
Kristallbåtarär förbrukningsvaror som används vid epitaxiell produktion och som kan ersätta SiC-belagd grafit, även om marknadsvolymen är liten. Nästa är TaC-belagd grafit, som erbjuder bättre kemisk korrosionsbeständighet än ren grafit eller SiC-belagd grafit, men den är oöverkomligt dyr och fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium. För närvarande är inhemska företag somLiufang halvledare, SemiceraochVetek Semiconductorär engagerade i FoU inom detta område.
Publiceringstid: 20 maj 2026