Lớp màng kết tinh (epitaxial layer) là một lớp màng mỏng đơn tinh thể đặc biệt được nuôi cấy trên chất nền wafer thông qua quy trình kết tinh; chất nền wafer và lớp màng kết tinh được gọi chung là wafer kết tinh. Trong số đó, việc nuôi cấy lớp màng kết tinh silicon carbide trên chất nền silicon carbide dẫn điện tạo ra wafer kết tinh silicon carbide đồng nhất, có thể được chế tạo thêm thành các thiết bị điện tử công suất như điốt Schottky, MOSFET và IGBT. Loại chất nền được sử dụng rộng rãi nhất là chất nền 4H-SiC.
Vì hầu hết các thiết bị đều được chế tạo trên các lớp màng mỏng kết tinh (epitaxial layers), chất lượng của lớp màng này có tác động đáng kể đến hiệu năng của thiết bị. Tuy nhiên, chất lượng của lớp màng này lại chịu ảnh hưởng bởi quá trình xử lý tinh thể và chất nền, khiến nó trở thành một yếu tố then chốt trong ngành công nghiệp và đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành.
Các phương pháp chính để chế tạo lớp màng mỏng silicon carbide bao gồm: lắng đọng hơi; epitaxy pha lỏng (LPE); epitaxy chùm phân tử (MBE); và lắng đọng hơi hóa học (CVD). Trong số này, lắng đọng hơi hóa học (CVD) là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để tạo lớp màng mỏng đồng nhất 4H-SiC. Quá trình tạo lớp màng mỏng 4H-SiC bằng phương pháp CVD thường sử dụng thiết bị CVD, đảm bảo tính liên tục của cấu trúc tinh thể 4H-SiC dưới nhiệt độ tăng trưởng cao.
Trong thiết bị CVD, chất nền không thể được đặt trực tiếp lên bề mặt kim loại hoặc chỉ đơn giản là đặt lên đế để lắng đọng epitaxy, vì điều này liên quan đến nhiều yếu tố ảnh hưởng như hướng dòng khí (ngang, dọc), nhiệt độ, áp suất, độ bám dính và sự nhiễm bẩn từ các hạt rơi vãi. Do đó, cần có một đế đỡ; chất nền được đặt trên khay, và quá trình lắng đọng epitaxy sau đó được thực hiện trên chất nền bằng công nghệ CVD. Đế đỡ này là một đế than chì phủ SiC.
Là một thành phần cốt lõi, chất nền than chì có độ bền riêng và mô đun riêng cao, cũng như khả năng chịu sốc nhiệt và chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, than chì bị ăn mòn và bong tróc bột do khí ăn mòn và các hợp chất hữu cơ kim loại còn sót lại, làm giảm đáng kể tuổi thọ của chất nền. Đồng thời, bột than chì bong ra có thể làm ô nhiễm các chip. Trong sản xuất các tấm bán dẫn silicon carbide, việc đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe đối với vật liệu than chì ngày càng trở nên khó khăn, hạn chế nghiêm trọng sự phát triển và ứng dụng thực tiễn của chúng. Do đó,công nghệ phủđã nổi lên như một giải pháp.
Ưu điểm của lớp phủ SiC trong ngành công nghiệp bán dẫn
Các đặc tính vật lý và hóa học của lớp phủ phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn, vì những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và tuổi thọ sản phẩm. Vật liệu SiC có độ bền cao, độ cứng cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt tuyệt vời, khiến nó trở thành vật liệu cấu trúc và bán dẫn chịu nhiệt độ cao quan trọng. Khi được ứng dụng trên chất nền than chì, những ưu điểm của nó bao gồm:
1) SiC có khả năng chống ăn mòn và có thể bao bọc hoàn toàn chất nền than chì. Mật độ cao của nó ngăn ngừa hư hại do khí ăn mòn.
2) SiC có độ dẫn nhiệt cao và độ bền liên kết mạnh với chất nền than chì, đảm bảo lớp phủ vẫn nguyên vẹn ngay cả sau nhiều chu kỳ nhiệt độ cao-thấp.
3) SiC có độ ổn định hóa học tuyệt vời, ngăn ngừa sự hư hỏng lớp phủ trong môi trường ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Hơn nữa, các lò nung epitaxy được làm từ các vật liệu khác nhau yêu cầu các khay than chì có thông số kỹ thuật cụ thể. Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu than chì phải tương thích với nhiệt độ tăng trưởng của lò nung epitaxy. Ví dụ, vì nhiệt độ tăng trưởng đối với epitaxy silicon carbide rất cao, nên cần các khay có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp cao. Hệ số giãn nở nhiệt của SiC khác biệt rất ít so với than chì, khiến nó trở thành vật liệu được ưu tiên để phủ lên bề mặt chất nền than chì.
SiC tồn tại ở nhiều dạng tinh thể, phổ biến nhất hiện nay là các loại 3C, 4H và 6H, mỗi loại phục vụ các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, 4H-SiC được sử dụng để sản xuất các thiết bị công suất cao; 6H-SiC ổn định nhất và được sử dụng để sản xuất các thiết bị quang điện tử; và 3C-SiC, do có cấu trúc tương tự GaN, được sử dụng để tạo ra các lớp màng mỏng GaN cho việc sản xuất các thiết bị RF SiC-GaN. 3C-SiC cũng thường được gọi là β-SiC. Một ứng dụng quan trọng của β-SiC là vật liệu màng mỏng và lớp phủ; do đó, β-SiC hiện là vật liệu chính được sử dụng cho các lớp phủ.
Là một vật liệu tiêu hao phổ biến trong sản xuất chất bán dẫn, lớp phủ SiC chủ yếu được sử dụng trong các quy trình như chuẩn bị chất nền, epitaxy, oxy hóa và khuếch tán, khắc và cấy ion. Các tính chất vật lý và hóa học của lớp phủ phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn, vì những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và tuổi thọ sản phẩm. Do đó, việc chuẩn bị lớp phủ SiC là vô cùng quan trọng.
Quy trình chuẩn bị lớp phủ cacbua silic
Hiện nay, các phương pháp chính để chế tạo lớp phủ SiC bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp nhúng, phủ bằng chổi, phun plasma, phản ứng hơi hóa học (CVR) và lắng đọng hơi hóa học (CVD).
Phương pháp nhúng
Phương pháp này là một loại thiêu kết rắn ở nhiệt độ cao. Nó chủ yếu sử dụng hỗn hợp bột silic (Si) và bột cacbon (C) làm bột nhúng. Một chất nền than chì được đặt bên trong bột nhúng và được thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường khí trơ, cuối cùng tạo thành lớp phủ SiC trên bề mặt chất nền than chì. Phương pháp này có ưu điểm là quy trình đơn giản và độ bám dính tốt giữa lớp phủ và chất nền; tuy nhiên, lớp phủ có độ đồng nhất kém theo chiều dày và dễ hình thành nhiều lỗ rỗng, dẫn đến khả năng chống oxy hóa kém.
Phương pháp sơn phủ bằng cọ
Phương pháp phủ bằng cọ chủ yếu bao gồm việc bôi nguyên liệu thô dạng lỏng lên bề mặt chất nền than chì, sau đó làm khô vật liệu ở nhiệt độ nhất định để tạo thành lớp phủ. Phương pháp này đơn giản và tiết kiệm chi phí; tuy nhiên, lớp phủ thu được có độ bám dính yếu với chất nền, độ đồng nhất kém và tương đối mỏng với khả năng chống oxy hóa thấp, cần phải sử dụng các phương pháp bổ sung.
Phương pháp phun plasma
Phương pháp phun plasma sử dụng súng plasma để phun nguyên liệu thô ở trạng thái nóng chảy hoặc bán nóng chảy lên bề mặt chất nền than chì, sau đó nguyên liệu sẽ đông đặc và liên kết để tạo thành lớp phủ. Phương pháp này dễ vận hành và có thể tạo ra lớp phủ silicon carbide tương đối dày đặc; tuy nhiên, lớp phủ thu được thường quá mỏng, dẫn đến khả năng chống oxy hóa kém. Do đó, phương pháp này thường được sử dụng trong việc chế tạo lớp phủ composite SiC để cải thiện chất lượng lớp phủ.
Phương pháp Gel-Sol
Phương pháp gel-sol chủ yếu bao gồm việc chuẩn bị một dung dịch sol trong suốt, đồng nhất để phủ lên bề mặt chất nền. Sau khi khô thành dạng gel, vật liệu được nung kết để tạo thành lớp phủ. Phương pháp này dễ vận hành và có chi phí tương đối thấp; tuy nhiên, các lớp phủ thu được có những nhược điểm như khả năng chịu sốc nhiệt thấp và dễ bị nứt, hạn chế việc ứng dụng rộng rãi của chúng.
Phương pháp phản ứng hơi hóa học (CVR)
Công nghệ CVR chủ yếu sử dụng bột Si và SiO₂ để tạo ra hơi SiO₂ ở nhiệt độ cao, kích hoạt một loạt các phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền Si để tạo thành lớp phủ SiC. Lớp phủ SiC được tạo ra bằng phương pháp này liên kết chặt chẽ với chất nền; tuy nhiên, nhiệt độ phản ứng cao và chi phí cũng tương đối cao.
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Hiện nay, CVD là công nghệ chính để chế tạo lớp phủ SiC trên bề mặt chất nền. Quá trình chính bao gồm một loạt các phản ứng hóa lý giữa các chất phản ứng dạng khí và bề mặt chất nền, cuối cùng dẫn đến sự lắng đọng của lớp phủ SiC. Lớp phủ SiC được tạo ra bằng công nghệ CVD liên kết chặt chẽ với bề mặt chất nền và có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống oxy hóa và chống mài mòn của vật liệu chất nền; tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thời gian lắng đọng tương đối dài, và khí phản ứng chứa một số thành phần độc hại.
Xu hướng trong lớp phủ SiC
Lớp phủ SiC chủ yếu được sử dụng làm vật liệu tiêu hao trong sản xuất chất bán dẫn, với các chỉ số hiệu suất chính bao gồm độ đồng nhất của lớp phủ, hệ số giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt. Mặc dù nhu cầu trong nước đối với lớp phủ SiC ở Trung Quốc rất lớn, nhưng công nghệ này vẫn chưa hoàn thiện. Ở nước ngoài, chỉ có một công ty của Mỹ hoạt động trong lĩnh vực này, và sản phẩm của công ty đó tương đối đắt tiền.
Thuyền pha lêCác vật liệu tiêu hao được sử dụng trong sản xuất màng mỏng epitaxy có thể thay thế than chì phủ SiC, mặc dù khối lượng thị trường còn nhỏ. Tiếp theo là than chì phủ TaC, có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn so với than chì trần hoặc than chì phủ SiC, nhưng nó có giá thành rất cao và vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. Hiện nay, các công ty trong nước như...chất bán dẫn Lưu Phương, Semicera, VàCông ty bán dẫn Vetekđang tham gia vào hoạt động nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.
Thời gian đăng bài: 20 tháng 5 năm 2026