Epitaksiyel katman, epitaksiyel bir işlemle bir gofret alt tabakası üzerine büyütülen belirli bir tek kristalli ince filmdir; alt tabaka gofret ve epitaksiyel film birlikte epitaksiyel gofret olarak adlandırılır. Bunlar arasında, iletken bir silisyum karbür alt tabakası üzerine silisyum karbür epitaksiyel katman büyütülmesi, Schottky diyotlar, MOSFET'ler ve IGBT'ler gibi güç cihazlarına dönüştürülebilen homojen bir silisyum karbür epitaksiyel gofret üretir. En yaygın kullanılan alt tabaka türü 4H-SiC alt tabakasıdır.
Hemen hemen tüm cihazlar epitaksiyel katmanlar üzerine üretildiğinden, epitaksiyel katmanın kalitesi cihaz performansını önemli ölçüde etkiler. Bununla birlikte, epitaksiyel katmanın kalitesi kristal ve alt tabaka işleme süreçlerinden etkilenir; bu da onu endüstride kritik bir noktaya yerleştirir ve gelişiminde çok önemli bir rol oynar.
Silisyum karbür epitaksiyel tabakaların hazırlanmasında kullanılan başlıca yöntemler şunlardır: buhar biriktirme; sıvı faz epitaksi (LPE); moleküler ışın epitaksi (MBE); ve kimyasal buhar biriktirme (CVD). Bunlar arasında, 4H-SiC homojen epitaksi için en yaygın kullanılan yöntem kimyasal buhar biriktirmedir (CVD). 4H-SiC CVD epitaksi, genellikle yüksek büyüme sıcaklıklarında 4H-SiC kristal yapısının sürekliliğini sağlayan CVD ekipmanı kullanır.
CVD ekipmanında, alt tabaka doğrudan metal bir yüzeye yerleştirilemez veya epitaksiyel biriktirme için basitçe bir tabana konulamaz, çünkü bu, gaz akış yönü (yatay, dikey), sıcaklık, basınç, sabitleme ve dökülen parçacıklardan kaynaklanan kirlenme gibi çeşitli etkileyici faktörleri içerir. Bu nedenle, bir destek tabanı gereklidir; alt tabaka bir tepsiye yerleştirilir ve daha sonra CVD teknolojisi kullanılarak alt tabaka üzerinde epitaksiyel biriktirme gerçekleştirilir. Bu destek tabanı, SiC kaplı bir grafit tabandır.
Temel bir bileşen olarak grafit alt tabaka, yüksek özgül mukavemet ve özgül modülün yanı sıra iyi termal şok ve korozyon direncine sahiptir. Bununla birlikte, üretim sırasında grafit, aşındırıcı gazlar ve artık organometalik bileşikler nedeniyle korozyona ve toz dökülmesine maruz kalır ve bu da alt tabakanın kullanım ömrünü önemli ölçüde azaltır. Aynı zamanda, dökülen grafit tozu çipleri kirletebilir. Silisyum karbür epitaksiyel levhaların üretiminde, grafit malzemeler için giderek daha katı hale gelen gereksinimleri karşılamak giderek zorlaşmakta ve bu da bunların gelişimini ve pratik uygulamasını ciddi şekilde sınırlamaktadır. Sonuç olarak,kaplama teknolojisiBir çözüm olarak ortaya çıktı.
Yarı İletken Endüstrisinde SiC Kaplamaların Avantajları
Kaplamaların fiziksel ve kimyasal özellikleri, ürün verimliliğini ve kullanım ömrünü doğrudan etkilediğinden, yüksek sıcaklık ve korozyon direnci için katı gereksinimleri karşılamalıdır. SiC malzemesi yüksek mukavemete, yüksek sertliğe, düşük termal genleşme katsayısına ve mükemmel termal iletkenliğe sahip olup, onu kritik bir yüksek sıcaklık yapısal ve yarı iletken malzeme haline getirmektedir. Grafit alt tabakalara uygulandığında, avantajları şunlardır:
1) SiC korozyona dayanıklıdır ve grafit alt tabakayı tamamen kaplayabilir. Yüksek yoğunluğu, aşındırıcı gazlardan kaynaklanan hasarı önler.
2) SiC, yüksek ısı iletkenliğine ve grafit alt tabaka ile güçlü yapışma özelliğine sahiptir; bu da kaplamanın tekrarlanan yüksek-düşük sıcaklık döngülerinden sonra bile bozulmadan kalmasını sağlar.
3) SiC, mükemmel kimyasal kararlılığa sahiptir ve yüksek sıcaklık ve aşındırıcı ortamlarda kaplama arızasını önler.
Ayrıca, farklı malzemelerden yapılmış epitaksiyel fırınlar, belirli performans özelliklerine sahip grafit tepsiler gerektirir. Grafit malzemenin termal genleşme katsayısı, epitaksiyel fırının büyüme sıcaklığıyla uyumlu olmalıdır. Örneğin, silisyum karbür epitaksisi için büyüme sıcaklığı yüksek olduğundan, yüksek derecede termal genleşme katsayısı uyumuna sahip tepsiler gereklidir. SiC'nin termal genleşme katsayısı grafitinkinden çok az farklıdır, bu da onu grafit alt tabakaların yüzeyini kaplamak için tercih edilen malzeme yapar.
SiC, birden fazla kristal formunda bulunur ve şu anda en yaygın olanları 3C, 4H ve 6H tipleridir; her biri farklı uygulamalara hizmet eder. Örneğin, 4H-SiC yüksek güçlü cihazların üretiminde kullanılır; 6H-SiC en kararlı olanıdır ve optoelektronik cihazların üretiminde kullanılır; ve 3C-SiC, GaN'ye yapısal benzerliği nedeniyle, SiC-GaN RF cihazlarının üretimi için GaN epitaksiyel katmanlarının üretiminde kullanılır. 3C-SiC ayrıca yaygın olarak β-SiC olarak da adlandırılır. β-SiC'nin önemli bir uygulaması ince film ve kaplama malzemesi olarak kullanılmasıdır; sonuç olarak, β-SiC şu anda kaplamalar için kullanılan birincil malzemedir.
Yarı iletken üretiminde yaygın bir sarf malzemesi olan SiC kaplamalar, öncelikle alt tabaka hazırlama, epitaksi, oksidasyon ve difüzyon, aşındırma ve iyon implantasyonu gibi işlemlerde kullanılır. Kaplamanın fiziksel ve kimyasal özellikleri, yüksek sıcaklık direnci ve korozyon direnci için katı gereksinimleri karşılamalıdır, çünkü bunlar ürün verimliliğini ve ömrünü doğrudan etkiler. Sonuç olarak, SiC kaplamaların hazırlanması kritik öneme sahiptir.
Silisyum Karbür Kaplamaların Hazırlanma Süreci
Şu anda SiC kaplamaların hazırlanmasında kullanılan başlıca yöntemler arasında sol-jel yöntemi, gömme yöntemi, fırça kaplama, plazma püskürtme, kimyasal buhar reaksiyonu (CVR) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) yer almaktadır.
Gömme Yöntemi
Bu yöntem, yüksek sıcaklıkta katı hal sinterleme türüdür. Esas olarak, gömme tozu olarak silikon (Si) tozu ve karbon (C) tozu karışımı kullanır. Bir grafit alt tabaka, gömme tozunun içine yerleştirilir ve inert gaz atmosferinde yüksek sıcaklıklarda sinterlenerek, grafit alt tabakanın yüzeyinde bir SiC kaplama oluşturulur. Bu yöntem, basit bir işlem ve kaplama ile alt tabaka arasında iyi bir yapışma özelliği gösterir; ancak, kaplama kalınlık yönünde zayıf bir homojenlik sergiler ve çok sayıda gözenek oluşmasına eğilimlidir, bu da zayıf oksidasyon direncine yol açar.
Fırça Kaplama Yöntemi
Fırça kaplama yöntemi, esas olarak sıvı ham maddenin grafit alt tabakanın yüzeyine uygulanmasını ve ardından kaplamayı oluşturmak için malzemenin belirli bir sıcaklıkta kürlenmesini içerir. Bu yöntem basit ve uygun maliyetlidir; ancak, elde edilen kaplama alt tabakaya zayıf yapışma, düşük homojenlik ve düşük oksidasyon direnci ile nispeten ince bir yapıya sahiptir, bu da ek yöntemleri gerektirir.
Plazma Püskürtme Yöntemi
Plazma püskürtme yöntemi, erimiş veya yarı erimiş ham maddenin bir plazma tabancası kullanılarak grafit alt tabakanın yüzeyine püskürtülmesini içerir; bu işlemden sonra malzeme katılaşır ve bir kaplama oluşturmak üzere bağlanır. Bu yöntem kullanımı kolaydır ve nispeten yoğun silisyum karbür kaplamalar üretebilir; ancak, elde edilen kaplamalar genellikle çok incedir ve bu da zayıf oksidasyon direncine yol açar. Bu nedenle, genellikle kaplama kalitesini iyileştirmek için SiC kompozit kaplamaların hazırlanmasında kullanılır.
Jel-Sol Yöntemi
Jel-sol yöntemi esas olarak, alt tabaka yüzeyini kaplamak için homojen, şeffaf bir sol çözeltisi hazırlamayı içerir. Malzeme jel haline geldikten sonra, kaplama oluşturmak için sinterlenir. Bu yöntem kullanımı kolay ve nispeten düşük maliyetlidir; ancak, elde edilen kaplamalar düşük termal şok direnci ve çatlama eğilimi gibi dezavantajlara sahiptir ve bu da yaygın uygulamalarını sınırlamaktadır.
Kimyasal Buhar Reaksiyonu (CVR) Yöntemi
CVR yöntemi öncelikle Si ve SiO₂ tozlarını kullanarak yüksek sıcaklıklarda SiO₂ buharı üretir ve bu da Si alt tabakasının yüzeyinde bir dizi kimyasal reaksiyonu tetikleyerek SiC kaplama oluşturur. Bu yöntemle üretilen SiC kaplama alt tabakaya sıkıca yapışır; ancak reaksiyon sıcaklığı yüksektir ve maliyeti de nispeten yüksektir.
Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)
CVD, şu anda alt tabaka yüzeylerinde SiC kaplamaları hazırlamak için kullanılan başlıca teknolojidir. Ana işlem, gaz halindeki reaktifler ile alt tabaka yüzeyi arasında bir dizi fizikokimyasal reaksiyonu içerir ve nihayetinde bir SiC kaplamasının birikmesiyle sonuçlanır. CVD teknolojisiyle üretilen SiC kaplamaları, alt tabaka yüzeyine sıkıca bağlanır ve alt tabaka malzemesinin oksidasyon direncini ve aşınma direncini etkili bir şekilde artırabilir; ancak bu yöntem nispeten uzun bir biriktirme süresi gerektirir ve reaksiyon gazları bazı toksik bileşenler içerir.
SiC Kaplamalarındaki Trendler
SiC kaplamalar öncelikle yarı iletken üretiminde sarf malzemesi olarak kullanılır ve temel performans ölçütleri arasında kaplama homojenliği, termal genleşme katsayısı ve termal iletkenlik yer alır. Çin'de SiC kaplamalara yönelik önemli bir iç talep olmasına rağmen, teknoloji henüz olgunlaşmamıştır. Yurtdışında ise bu alanda faaliyet gösteren yalnızca bir ABD şirketi bulunmaktadır ve ürünleri nispeten pahalıdır.
Kristal teknelerEpitaksiyel üretimde kullanılan ve SiC kaplı grafitin yerini alabilen sarf malzemeleri mevcuttur, ancak pazar hacmi küçüktür. Bir sonraki seçenek ise, çıplak grafit veya SiC kaplı grafite göre daha iyi kimyasal korozyon direnci sunan TaC kaplı grafittir, ancak son derece pahalıdır ve hala geliştirme aşamasının başlarındadır. Şu anda, yerli şirketler, örneğin...Liufang yarı iletken, Semicera, VeVetek Yarı İletkenBu alanda Ar-Ge çalışmaları yürütüyorlar.
Yayın tarihi: 20 Mayıs 2026