การเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์: ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวัสดุหลักสำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียของ SiC

ชั้นเอพิแท็กเซียลคือฟิล์มบางผลึกเดี่ยวชนิดพิเศษที่ปลูกบนแผ่นเวเฟอร์โดยกระบวนการเอพิแท็กเซียล โดยทั่วไปแล้วแผ่นเวเฟอร์และฟิล์มเอพิแท็กเซียลจะเรียกว่าเวเฟอร์เอพิแท็กเซียล ในบรรดาเวเฟอร์เหล่านี้ การปลูกชั้นเอพิแท็กเซียลซิลิคอนคาร์ไบด์บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เป็นตัวนำไฟฟ้าจะทำให้ได้เวเฟอร์เอพิแท็กเซียลซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งสามารถนำไปผลิตเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ไดโอดชอตต์กี, MOSFET และ IGBT ได้ต่อไป โดยชนิดของแผ่นเวเฟอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือแผ่นเวเฟอร์ 4H-SiC

เนื่องจากอุปกรณ์เกือบทั้งหมดผลิตขึ้นบนชั้นเอพิแท็กเซียล คุณภาพของชั้นเอพิแท็กเซียลจึงมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม คุณภาพของชั้นเอพิแท็กเซียลได้รับอิทธิพลจากกระบวนการผลิตผลึกและพื้นผิว ทำให้ชั้นเอพิแท็กเซียลอยู่ในจุดที่สำคัญยิ่งในอุตสาหกรรมและมีบทบาทสำคัญในการพัฒนา

วิธีการหลักในการเตรียมชั้นผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียล ได้แก่ การตกตะกอนด้วยไอ (vapor deposition); การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลในเฟสของเหลว (liquid phase epitaxy, LPE); การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลด้วยลำแสงโมเลกุล (molecular beam epitaxy, MBE); และการตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (chemical vapor deposition, CVD) ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD) เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลของ 4H-SiC ที่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยทั่วไปแล้ว การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลของ 4H-SiC ด้วยวิธี CVD จะใช้อุปกรณ์ CVD ซึ่งช่วยให้โครงสร้างผลึก 4H-SiC คงอยู่ต่อเนื่องภายใต้อุณหภูมิการเจริญเติบโตสูง

ในอุปกรณ์ CVD นั้น ไม่สามารถวางวัสดุตั้งต้นลงบนพื้นผิวโลหะโดยตรง หรือวางบนฐานรองเพื่อทำการตกตะกอนแบบเอพิแท็กเซียได้ เนื่องจากมีปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลกระทบ เช่น ทิศทางการไหลของก๊าซ (แนวนอน แนวตั้ง) อุณหภูมิ ความดัน การยึด และการปนเปื้อนจากอนุภาคที่หลุดร่วง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีฐานรอง โดยวางวัสดุตั้งต้นลงบนถาด แล้วจึงทำการตกตะกอนแบบเอพิแท็กเซียลงบนวัสดุตั้งต้นโดยใช้เทคโนโลยี CVD ฐานรองนี้เป็นฐานกราไฟต์เคลือบ SiC

กราไฟต์เป็นส่วนประกอบหลักที่มีคุณสมบัติเด่นคือมีความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสจำเพาะสูง รวมถึงทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการผลิต กราไฟต์จะเกิดการกัดกร่อนและหลุดร่วงเป็นผงเนื่องจากก๊าซกัดกร่อนและสารประกอบอินทรีย์โลหะตกค้าง ซึ่งลดอายุการใช้งานของวัสดุรองรับลงอย่างมาก ในขณะเดียวกัน ผงกราไฟต์ที่หลุดร่วงออกมายังสามารถปนเปื้อนชิปได้ ในการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิเท็กเซียล การตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ ของวัสดุกราไฟต์จึงเป็นเรื่องยากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งจำกัดการพัฒนาและการใช้งานจริงอย่างมาก ดังนั้นเทคโนโลยีการเคลือบได้ปรากฏขึ้นมาเป็นทางออก

 

ข้อดีของการเคลือบ SiC ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

 

คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของสารเคลือบต้องเป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับการทนต่ออุณหภูมิสูงและการกัดกร่อน เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตและอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ วัสดุ SiC มีความแข็งแรงสูง ความแข็งสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ทำให้เป็นวัสดุโครงสร้างและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญสำหรับอุณหภูมิสูง เมื่อนำไปใช้กับพื้นผิวแกรไฟต์ ข้อดีของมันได้แก่:

1) ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ทนต่อการกัดกร่อนและสามารถห่อหุ้มพื้นผิวแกรไฟต์ได้อย่างสมบูรณ์ ความหนาแน่นสูงช่วยป้องกันความเสียหายจากก๊าซกัดกร่อน

2) SiC มีค่าการนำความร้อนสูงและมีแรงยึดเกาะที่แข็งแรงกับพื้นผิวแกรไฟต์ ทำให้มั่นใจได้ว่าสารเคลือบจะยังคงสภาพสมบูรณ์แม้หลังจากผ่านวงจรการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงและต่ำซ้ำๆ

3) SiC มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีเยี่ยม ป้องกันการเสียหายของสารเคลือบในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและกัดกร่อน

นอกจากนี้ เตาเผาแบบเอพิแท็กเซียลที่ทำจากวัสดุต่างกัน จำเป็นต้องใช้ถาดกราไฟต์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุกราไฟต์ต้องเข้ากันได้กับอุณหภูมิการเติบโตของเตาเผาแบบเอพิแท็กเซียล ตัวอย่างเช่น เนื่องจากอุณหภูมิการเติบโตของซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียลสูง จึงจำเป็นต้องใช้ถาดที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่เข้ากันได้ดี ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของ SiC แตกต่างจากกราไฟต์เพียงเล็กน้อย ทำให้ SiC เป็นวัสดุที่นิยมใช้ในการเคลือบผิวของแผ่นรองพื้นกราไฟต์

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีอยู่ในหลายรูปแบบผลึก โดยรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุดในปัจจุบันคือชนิด 3C, 4H และ 6H ซึ่งแต่ละชนิดมีการใช้งานที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น 4H-SiC ใช้ในการผลิตอุปกรณ์กำลังสูง 6H-SiC มีความเสถียรที่สุดและใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก และ 3C-SiC เนื่องจากมีโครงสร้างคล้ายกับแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) จึงใช้ในการผลิตชั้นเอพิแทกเซียลของ GaN สำหรับการผลิตอุปกรณ์ RF ที่ทำจาก SiC-GaN 3C-SiC มักเรียกอีกอย่างว่า β-SiC การใช้งานที่สำคัญของ β-SiC คือการใช้เป็นวัสดุฟิล์มบางและวัสดุเคลือบ ดังนั้น β-SiC จึงเป็นวัสดุหลักที่ใช้ในการเคลือบในปัจจุบัน

สารเคลือบ SiC เป็นวัสดุสิ้นเปลืองทั่วไปในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยส่วนใหญ่ใช้ในกระบวนการต่างๆ เช่น การเตรียมพื้นผิว การเจริญเติบโตของผลึก การออกซิเดชันและการแพร่ การกัด และการฝังไอออน คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของสารเคลือบต้องเป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับการทนต่ออุณหภูมิสูงและการทนต่อการกัดกร่อน เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตและอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ ดังนั้น การเตรียมสารเคลือบ SiC จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

 

กระบวนการเตรียมสารเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์

 

ปัจจุบัน วิธีการหลักในการเตรียมสารเคลือบ SiC ได้แก่ วิธีโซล-เจล วิธีการฝังตัว การเคลือบด้วยแปรง การพ่นพลาสมา ปฏิกิริยาไอเคมี (CVR) และการตกตะกอนไอเคมี (CVD)

วิธีการฝังตัว

วิธีการนี้เป็นวิธีการเผาผนึกของแข็งที่อุณหภูมิสูงชนิดหนึ่ง โดยใช้ส่วนผสมของผงซิลิคอน (Si) และผงคาร์บอน (C) เป็นผงฝังตัวเป็นหลัก จากนั้นวางแผ่นกราไฟต์ไว้ภายในผงฝังตัวและเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศก๊าซเฉื่อย จนได้ชั้นเคลือบ SiC บนพื้นผิวของแผ่นกราไฟต์ วิธีการนี้มีกระบวนการที่ง่ายและมีการยึดเกาะที่ดีระหว่างชั้นเคลือบกับแผ่นรองรับ อย่างไรก็ตาม ชั้นเคลือบมีความสม่ำเสมอไม่ดีในแนวความหนาและมีแนวโน้มที่จะเกิดรูพรุนจำนวนมาก ทำให้ความต้านทานต่อการออกซิเดชันต่ำ

วิธีการเคลือบด้วยแปรง

วิธีการเคลือบด้วยแปรงนั้นโดยหลักแล้วเกี่ยวข้องกับการทาวัสดุเหลวลงบนพื้นผิวของวัสดุรองพื้นกราไฟต์ จากนั้นจึงทำการอบวัสดุที่อุณหภูมิที่กำหนดเพื่อสร้างชั้นเคลือบ วิธีนี้เรียบง่ายและประหยัดต้นทุน อย่างไรก็ตาม ชั้นเคลือบที่ได้นั้นมีการยึดเกาะกับวัสดุรองพื้นไม่ดี ไม่สม่ำเสมอ และค่อนข้างบาง มีความต้านทานต่อการออกซิเดชันต่ำ จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเสริมเพิ่มเติม

วิธีการพ่นพลาสม่า

วิธีการพ่นพลาสม่าเกี่ยวข้องกับการใช้ปืนพลาสม่าพ่นวัตถุดิบหลอมเหลวหรือกึ่งหลอมเหลวลงบนพื้นผิวของวัสดุรองรับกราไฟต์ จากนั้นวัตถุดิบจะแข็งตัวและยึดติดกันเพื่อสร้างเป็นชั้นเคลือบ วิธีนี้ใช้งานง่ายและสามารถผลิตชั้นเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นค่อนข้างสูงได้ อย่างไรก็ตาม ชั้นเคลือบที่ได้มักจะบางเกินไป ทำให้ความต้านทานต่อการออกซิเดชันต่ำ ดังนั้นโดยทั่วไปจึงใช้ในการเตรียมชั้นเคลือบ SiC คอมโพสิตเพื่อปรับปรุงคุณภาพของชั้นเคลือบ

วิธีการเจล-โซล

วิธีการเจล-โซลนั้นเกี่ยวข้องกับการเตรียมสารละลายโซลที่สม่ำเสมอและโปร่งใสเพื่อเคลือบพื้นผิวของวัสดุ หลังจากที่แห้งกลายเป็นเจลแล้ว วัสดุจะถูกเผาผนึกเพื่อสร้างเป็นชั้นเคลือบ วิธีนี้ใช้งานง่ายและต้นทุนค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม ชั้นเคลือบที่ได้มีข้อเสีย เช่น ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันต่ำ และมีแนวโน้มที่จะแตก ทำให้การใช้งานอย่างแพร่หลายมีข้อจำกัด

วิธีปฏิกิริยาไอเคมี (CVR)

กระบวนการ CVR ใช้ผง Si และ SiO₂ เป็นหลักในการสร้างไอ SiO₂ ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมีหลายขั้นตอนบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ Si เพื่อสร้างชั้นเคลือบ SiC ชั้นเคลือบ SiC ที่ผลิตได้ด้วยวิธีนี้จะยึดติดกับวัสดุรองรับอย่างแน่นหนา อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิของปฏิกิริยาสูง และต้นทุนก็ค่อนข้างสูงเช่นกัน

การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD)

ปัจจุบัน CVD เป็นเทคโนโลยีหลักในการเตรียมสารเคลือบ SiC บนพื้นผิววัสดุ กระบวนการหลักเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีและกายภาพหลายขั้นตอนระหว่างสารตั้งต้นที่เป็นก๊าซกับพื้นผิววัสดุ ซึ่งในที่สุดจะส่งผลให้เกิดการตกตะกอนของสารเคลือบ SiC สารเคลือบ SiC ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี CVD จะยึดติดกับพื้นผิววัสดุอย่างแน่นหนาและสามารถเพิ่มความต้านทานต่อการออกซิเดชันและความต้านทานต่อการกัดกร่อนของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้เวลาในการตกตะกอนค่อนข้างนาน และก๊าซที่ใช้ในการทำปฏิกิริยามีส่วนประกอบที่เป็นพิษอยู่บ้าง

 

แนวโน้มในด้านการเคลือบ SiC

 

สารเคลือบ SiC ส่วนใหญ่ใช้เป็นวัสดุสิ้นเปลืองในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญ ได้แก่ ความสม่ำเสมอของสารเคลือบ สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน และการนำความร้อน แม้ว่าจะมีอุปสงค์ภายในประเทศจีนสำหรับสารเคลือบ SiC จำนวนมาก แต่เทคโนโลยียังคงไม่สมบูรณ์ ในต่างประเทศ มีเพียงบริษัทเดียวจากสหรัฐอเมริกาที่ดำเนินงานในด้านนี้ และผลิตภัณฑ์ของบริษัทนั้นมีราคาค่อนข้างสูง

เรือคริสตัลเป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่ใช้ในการผลิตแบบเอพิแท็กเซียลซึ่งสามารถใช้แทนกราไฟต์เคลือบ SiC ได้ แม้ว่าปริมาณในตลาดจะยังน้อย ถัดมาคือกราไฟต์เคลือบ TaC ซึ่งมีความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมีได้ดีกว่ากราไฟต์เปล่าหรือกราไฟต์เคลือบ SiC แต่มีราคาแพงมากและยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา ปัจจุบัน บริษัทในประเทศ เช่นหลิวฟางเซมิคอนดักเตอร์, เซมิเซรา, และเวเทค เซมิคอนดักเตอร์มีส่วนร่วมในการวิจัยและพัฒนาในด้านนี้


วันที่เผยแพร่: 20 พฤษภาคม 2026
แชทออนไลน์ผ่าน WhatsApp!