Епітаксіальний шар – це специфічна тонка монокристалічна плівка, вирощена на пластинчастій підкладці за допомогою епітаксіального процесу; пластина-підкладка та епітаксіальна плівка разом називаються епітаксіальною пластиною. Серед них вирощування епітаксіального шару карбіду кремнію на провідній підкладці з карбіду кремнію створює однорідну епітаксіальну пластину з карбіду кремнію, яку можна додатково використовувати для виготовлення силових пристроїв, таких як діоди Шотткі, MOSFET та IGBT. Найбільш широко використовуваним типом підкладки є підкладка 4H-SiC.
Оскільки практично всі пристрої виготовляються на епітаксіальних шарах, якість епітаксіального шару має значний вплив на продуктивність пристрою. Однак на якість епітаксіального шару впливає обробка кристала та підкладки, що ставить його на критичний етап у галузі та відіграє ключову роль у її розвитку.
Основні методи отримання епітаксіальних шарів карбіду кремнію включають: осадження з парової фази; рідкофазну епітаксію (РФЕ); молекулярно-променеву епітаксію (МПЕ); та хімічне осадження з парової фази (ХОФ). Серед них хімічне осадження з парової фази (ХОФ) є найпоширенішим методом гомогенної епітаксії 4H-SiC. ХОФ епітаксія 4H-SiC зазвичай використовує обладнання ХОФ, яке забезпечує безперервність кристалічної структури 4H-SiC за високих температур росту.
В обладнанні CVD підкладку не можна розміщувати безпосередньо на металевій поверхні або просто на основі для епітаксіального осадження, оскільки це пов'язано з різними факторами впливу, такими як напрямок потоку газу (горизонтальний, вертикальний), температура, тиск, фіксація та забруднення від частинок, що відшаровуються. Тому потрібна опорна основа; підкладку розміщують на лотку, а потім на ній виконується епітаксіальне осадження за допомогою технології CVD. Ця опорна основа являє собою графітову основу з покриттям SiC.
Як основний компонент, графітова підкладка має високу питому міцність та питомий модуль пружності, а також добру стійкість до термоударів та корозії. Однак під час виробництва графіт піддається корозії та відшаруванню порошку через агресивні гази та залишкові металоорганічні сполуки, що значно скорочує термін служби підкладки. Водночас відшарована графітова підкладка може забруднювати стружку. При виробництві епітаксіальних пластин з карбіду кремнію стає все важче дотримуватися дедалі суворіших вимог до графітових матеріалів, що суттєво обмежує їх розробку та практичне застосування. Отже,технологія покриттяз'явилося як рішення.
Переваги покриттів SiC у напівпровідниковій промисловості
Фізичні та хімічні властивості покриттів повинні відповідати суворим вимогам щодо стійкості до високих температур та корозії, оскільки це безпосередньо впливає на вихід продукції та термін служби. Матеріал SiC має високу міцність, високу твердість, низький коефіцієнт теплового розширення та чудову теплопровідність, що робить його критично важливим високотемпературним конструкційним та напівпровідниковим матеріалом. При застосуванні на графітових підкладках його переваги включають:
1) Карбід кремнію (SiC) стійкий до корозії та може повністю інкапсулювати графітову підкладку. Його висока щільність запобігає пошкодженню від агресивних газів.
2) SiC має високу теплопровідність та міцну зв'язок з графітовою підкладкою, що забезпечує збереження цілісності покриття навіть після багаторазових циклів зміни високої та низької температур.
3) SiC має чудову хімічну стабільність, запобігаючи руйнуванню покриття у високотемпературних, агресивних середовищах.
Крім того, епітаксіальні печі, виготовлені з різних матеріалів, потребують графітових лотків зі специфічними експлуатаційними характеристиками. Коефіцієнт теплового розширення графітового матеріалу повинен бути сумісний з температурою росту епітаксіальної печі. Наприклад, оскільки температура росту для епітаксії карбіду кремнію висока, потрібні лотки з високим ступенем відповідності коефіцієнта теплового розширення. Коефіцієнт теплового розширення SiC дуже мало відрізняється від коефіцієнта теплового розширення графіту, що робить його кращим матеріалом для покриття поверхні графітових підкладок.
SiC існує в кількох кристалічних формах, найпоширенішими наразі є типи 3C, 4H та 6H, кожна з яких має різне застосування. Наприклад, 4H-SiC використовується для виробництва потужних пристроїв; 6H-SiC є найстабільнішим і використовується для виробництва оптоелектронних пристроїв; а 3C-SiC, завдяки своїй структурній подібності до GaN, використовується для отримання епітаксіальних шарів GaN для виробництва радіочастотних пристроїв SiC-GaN. 3C-SiC також зазвичай називають β-SiC. Ключовим застосуванням β-SiC є використання його як тонкоплівкового та покривного матеріалу; отже, β-SiC наразі є основним матеріалом, що використовується для покриттів.
Як поширений витратний матеріал у виробництві напівпровідників, покриття SiC в основному використовуються в таких процесах, як підготовка підкладок, епітаксія, окислення та дифузія, травлення та іонна імплантація. Фізичні та хімічні властивості покриття повинні відповідати суворим вимогам щодо стійкості до високих температур та корозії, оскільки це безпосередньо впливає на вихід продукції та термін служби. Отже, підготовка покриттів SiC є критично важливою.
Процес приготування покриттів з карбіду кремнію
Наразі основними методами отримання покриттів SiC є золь-гель метод, метод заливки, нанесення пензлем, плазмове напилення, хімічна реакція з парової фази (CVR) та хімічне осадження з парової фази (CVD).
Метод вбудовування
Цей метод є різновидом високотемпературного твердотільного спікання. В основному він використовує суміш порошку кремнію (Si) та порошку вуглецю (C) як заливний порошок. Графітову підкладку поміщають у заливний порошок та спікають за високих температур в атмосфері інертного газу, в результаті чого на поверхні графітової підкладки утворюється покриття SiC. Цей метод характеризується простим процесом та хорошою адгезією між покриттям та підкладкою; однак покриття демонструє погану однорідність вздовж напрямку товщини та схильне до утворення численних пор, що призводить до поганої стійкості до окислення.
Метод покриття пензлем
Метод нанесення покриття пензлем передбачає нанесення рідкої сировини на поверхню графітової підкладки, а потім затвердіння матеріалу за певної температури для формування покриття. Цей метод простий та економічно ефективний; однак отримане покриття має слабку адгезію до підкладки, погану однорідність та є відносно тонким з низькою стійкістю до окислення, що вимагає додаткових методів.
Метод плазмового напилення
Метод плазмового напилення передбачає використання плазмового пістолета для розпилення розплавленого або напіврозплавленого сировини на поверхню графітової підкладки, яка потім твердне та зв'язується, утворюючи покриття. Цей метод простий в експлуатації та може створювати відносно щільні покриття з карбіду кремнію; однак отримані покриття часто занадто тонкі, що призводить до низької стійкості до окислення. Тому його зазвичай використовують при отриманні композитних покриттів SiC для покращення якості покриття.
Гель-золь метод
Гель-золь-метод передбачає, головним чином, приготування однорідного, прозорого розчину золю для покриття поверхні підкладки. Після висихання до гелю матеріал спікається для утворення покриття. Цей метод простий у використанні та відносно недорогий; однак отримані покриття мають недоліки, такі як низька термостійкість та схильність до розтріскування, що обмежує їх широке застосування.
Метод хімічної парової реакції (ХРП)
CVR переважно використовує порошки Si та SiO₂ для утворення пари SiO₂ за високих температур, що запускає серію хімічних реакцій на поверхні кремнієвої підкладки з утворенням покриття SiC. Покриття SiC, отримане цим методом, щільно зв'язується з підкладкою; однак температура реакції висока, а вартість також відносно висока.
Хімічне осадження з парової фази (CVD)
CVD (хронічне осаджування пластиком) наразі є основною технологією для отримання покриттів з карбіду кремнію (SiC) на поверхнях підкладок. Основний процес включає серію фізико-хімічних реакцій між газоподібними реагентами та поверхнею підкладки, що зрештою призводить до осадження покриття з карбіду кремнію. Покриття з карбіду кремнію, отримані за допомогою технології CVD, щільно зв'язуються з поверхнею підкладки та можуть ефективно покращити стійкість матеріалу підкладки до окислення та абляції; однак цей метод вимагає відносно тривалого часу осадження, а реакційні гази містять певні токсичні компоненти.
Тенденції в SiC-покриттях
Карбід-кремнієві покриття в основному використовуються як витратні матеріали у виробництві напівпровідників, а ключовими показниками ефективності є однорідність покриття, коефіцієнт теплового розширення та теплопровідність. Хоча в Китаї існує значний внутрішній попит на карбід-кремнієві покриття, ця технологія залишається незрілою. За кордоном у цій галузі працює лише одна американська компанія, а її продукція є відносно дорогою.
Кришталеві човни– це витратні матеріали, що використовуються в епітаксіальному виробництві, які можуть замінити графіт з покриттям SiC, хоча обсяг ринку невеликий. Далі йде графіт з покриттям TaC, який пропонує кращу хімічну корозійну стійкість, ніж чистий графіт або графіт з покриттям SiC, але він надзвичайно дорогий і все ще перебуває на ранніх стадіях розробки. Наразі вітчизняні компанії, такі якНапівпровідник Люфан, Семіцера, таVetek Semiconductorзаймаються дослідженнями та розробками в цій галузі.
Час публікації: 20 травня 2026 р.