Materiale di epitassia in carburo di silicio

Il carburo di silicio, con la formula chimica SIC, è un materiale a semiconduttore composto formato da forti legami covalenti tra elementi di silicio (SI) e carbonio (C). Con le sue eccellenti proprietà fisiche e chimiche, svolge un ruolo sempre più importante in molti campi industriali, specialmente nel impegnativo processo di produzione dei semiconduttori.

Ⅰ. Proprietà fisiche core del carburo di silicio (SIC)

Comprendere le proprietà fisiche di SIC è la base per comprendere il suo valore dell'applicazione:

1) alta durezza:

La durezza MOHS di SIC è di circa 9-9,5, seconda solo a Diamond. Ciò significa che ha un'ottima usura e resistenza ai graffi.

Valore dell'applicazione: nell'elaborazione dei semiconduttori, ciò significa che le parti di SiC (come bracci robotici, mandrini, dischi di macinazione) hanno una vita più lunga, riducono la generazione di particelle causate dall'usura e quindi migliorano la pulizia e la stabilità del processo.

2) eccellenti proprietà termiche:

● Alta conducibilità termica: 

La conduttività termica di SIC è molto più elevata di quella dei tradizionali materiali di silicio e molti metalli (fino a 300-490 W/(M⋅k) a temperatura ambiente, a seconda della sua forma e purezza cristallina).

Valore dell'applicazione: può dissipare il calore in modo rapido ed efficiente. Ciò è fondamentale per la dissipazione del calore di dispositivi a semiconduttore ad alta potenza, che possono impedire al dispositivo di surriscaldamento e fallimento e migliorare l'affidabilità e le prestazioni del dispositivo. Nelle apparecchiature di processo, come riscaldatori o piastre di raffreddamento, l'alta conducibilità termica garantisce l'uniformità della temperatura e la risposta rapida.

● Coefficiente di espansione termica bassa: SIC ha un cambiamento dimensionale scarso in un ampio intervallo di temperatura.

Valore dell'applicazione: nei processi di semiconduttore che sperimentano drastiche variazioni di temperatura (come rapide ricottura termica), le parti SIC possono mantenere la loro accuratezza di forma e dimensionale, ridurre lo stress e la deformazione causati da mancata corrispondenza termica e garantire l'accuratezza dell'elaborazione e la resa del dispositivo.

● Eccellente stabilità termica: SIC può mantenere la sua struttura e la stabilità delle prestazioni ad alte temperature e può resistere a temperature fino a 1600 ∘c o anche più in alto in un'atmosfera inerte.

Valore dell'applicazione: adatto per ambienti di processo ad alta temperatura come crescita epitassiale, ossidazione, diffusione, ecc. E non è facile decomporre o reagire con altre sostanze.

● Buona resistenza agli shock termici: in grado di resistere a rapide variazioni di temperatura senza crack o danni.

Valore dell'applicazione: i componenti SIC sono più durevoli nelle fasi di processo che richiedono un rapido aumento e caduta della temperatura.

3） Proprietà elettriche superiori (specialmente per dispositivi a semiconduttore):

● Gap di banda largo: il gap di banda di SIC è circa tre volte quello del silicio (SI) (ad esempio, 4H-SIC è circa 3,26ev e SI è di circa 1,12EV).

Valore dell'applicazione:

Temperatura operativa elevata: il gap di banda largo rende la concentrazione intrinseca del vettore di dispositivi SIC ancora molto bassa a temperature elevate, quindi può funzionare a temperature molto più alte rispetto ai dispositivi di silicio (fino a 300 ° C o più).

Elevato campo elettrico di rottura: la resistenza al campo elettrico di rottura di SIC è quasi 10 volte quella del silicio. Ciò significa che allo stesso livello di resistenza alla tensione, i dispositivi SIC possono essere resi più sottili e la resistenza della regione di deriva è più piccola, riducendo così le perdite di conduzione.

Forte resistenza alle radiazioni: l'ampio gap di banda lo rende anche una migliore resistenza alle radiazioni ed è adatto per ambienti speciali come l'aerospaziale.

● Velocità di deriva dell'elettrone ad alta saturazione: la velocità di deriva dell'elettrone di saturazione di SIC è il doppio di quella del silicio.

Valore dell'applicazione: ciò consente ai dispositivi SIC di funzionare a frequenze di commutazione più elevate, il che è utile per ridurre il volume e il peso dei componenti passivi come induttori e condensatori nel sistema e migliorare la densità di potenza del sistema.

4） Eccellente stabilità chimica:

SIC ha una forte resistenza alla corrosione e non reagisce con la maggior parte degli acidi, delle basi o dei sali fusi a temperatura ambiente. Reagisce con alcuni ossidanti forti o basi fusi solo ad alte temperature.

Valore dell'applicazione: nei processi che coinvolgono sostanze chimiche corrosive come l'attacco e la pulizia a semiconduttore, i componenti SIC (come barche, tubi e ugelli) hanno una durata di servizio più lunga e un minor rischio di contaminazione. Nei processi asciutti come l'attacco al plasma, la sua tolleranza al plasma è anche migliore di molti materiali tradizionali.

5）Alta purezza (alta purezza realizzabile):

I materiali SIC ad alta purezza possono essere preparati con metodi come la deposizione di vapore chimico (CVD).

Valore dell'utente: nella produzione di semiconduttori, la purezza del materiale è fondamentale e qualsiasi impurità può influire sulle prestazioni e la resa del dispositivo. I componenti SIC di alta purezza minimizzano la contaminazione di wafer di silicio o ambienti di processo.

Ⅱ. Applicazione del carburo di silicio (SIC) come substrato epitassiale

I wafer a cristalli singoli SIC sono materiali di substrato chiave per la produzione di dispositivi di alimentazione SIC ad alte prestazioni (come MOSFET, JFET, SBD) e Nitruro di gallio (GAN) RF/Dispositivi di alimentazione.

Scenari e usi specifici dell'applicazione:

1) Sic-on-Sic Epitassy:

Use: su un substrato a cristallo singolo SIC di alta purezza, uno strato epitassiale SIC con doping e spessore specifici viene coltivato dall'epitassia del vapore chimico (CVD) per costruire l'area attiva dei dispositivi di alimentazione SiC.

Valore dell'applicazione: l'eccellente conduttività termica del substrato SIC aiuta il dispositivo a dissipare il calore e le caratteristiche di gap di banda ampia consentono al dispositivo di resistere al funzionamento ad alta tensione, ad alta temperatura e ad alta frequenza. Ciò fa funzionare bene i dispositivi di alimentazione SIC in nuovi veicoli energetici (controllo elettrico, pile di ricarica), inverter fotovoltaici, unità a motore industriale, griglie intelligenti e altri campi, migliorando significativamente l'efficienza del sistema e riducendo le dimensioni e il peso delle attrezzature.

2) Epitassia Gan-on-Sic:

Uso: i substrati SIC sono ideali per la coltivazione di strati epitassiali GAN di alta qualità (specialmente per dispositivi RF ad alta frequenza e ad alta potenza come HEMTS) a causa della loro buona corrispondenza reticolare con GAN (rispetto al saffiro e al silicio) e alla conducibilità termica estremamente elevata.

Valore dell'applicazione: i substrati SIC possono effettivamente condurre una grande quantità di calore generata dai dispositivi GAN durante il funzionamento per garantire l'affidabilità e le prestazioni dei dispositivi. Ciò rende i dispositivi Gan-on-SIC che presentano vantaggi insostituibili nelle stazioni base di comunicazione 5G, sistemi radar, contromisure elettroniche e altri campi.

Ⅲ. Applicazione di carburo di silicio (sic) come rivestimento

I rivestimenti SIC vengono generalmente depositati sulla superficie di substrati come grafite, ceramica o metalli con metodo CVD per dare al substrato SIC eccellenti proprietà.

Scenari e usi specifici dell'applicazione:

1) Componenti dell'attrezzatura ad incisione al plasma:

Esempi di componenti: doccia, fodere per la camera, superfici ESC, anelli di messa a fuoco, finestre ad incisione.

Usi: in un ambiente plasmatico, questi componenti sono bombardati da ioni ad alta energia e gas corrosivi. I rivestimenti SIC proteggono questi componenti critici dai danni con la loro alta durezza, alta stabilità chimica e resistenza all'erosione al plasma.

Valore dell'applicazione: estendere la durata dei componenti, ridurre le particelle generate dall'erosione dei componenti, migliorare la stabilità e la ripetibilità del processo, ridurre i costi di manutenzione e i tempi di inattività e garantire la pulizia della lavorazione del wafer.

2) Componenti dell'attrezzatura di crescita epitassiale:

Esempi di componenti: suscettori/portatori di wafer, elementi del riscaldatore.

Usi: in ambienti di crescita epitassiale ad alta temperatura ad alta purezza, i rivestimenti SIC (solitamente SIC di alta purezza) possono fornire un'eccellente stabilità e inerzia chimica ad alta temperatura per prevenire la reazione con gas di processo o rilascio di impurità.

Valore dell'applicazione: garantire la qualità e la purezza dello strato epitassiale, migliorare l'uniformità della temperatura e l'accuratezza del controllo.

3) Altri componenti delle apparecchiature di processo:

Esempi di componenti: dischi di grafite di attrezzature MOCVD, barche rivestite SIC (barche per diffusione/ossidazione).

Usi: fornire superfici resistenti alla corrosione, resistenti ad alta temperatura e ad alta purezza.

Valore dell'applicazione: migliorare l'affidabilità del processo e la vita dei componenti.

Ⅳ. Applicazione del carburo di silicio (SIC) come altri componenti specifici del prodotto (altri componenti specifici del prodotto)

Oltre ad essere un substrato e un rivestimento, SIC stesso viene anche elaborato direttamente in vari componenti di precisione grazie alle sue eccellenti prestazioni complete.

Scenari e usi specifici dell'applicazione:

1) Componenti di gestione e trasferimento di wafer:

Esempi di componenti: robot Effectors, Chucks a vuoto, impugnature per il bordo, perni di sollevamento.

Uso: questi componenti richiedono un'elevata rigidità, un'elevata resistenza all'usura, una bassa espansione termica e un'alta purezza per garantire che non siano generate particelle, nessun graffio di wafer e nessuna deformazione dovuta a variazioni di temperatura durante il trasporto di wafer ad alta velocità e alta precisione.

Valore dell'applicazione: migliorare l'affidabilità e la pulizia della trasmissione del wafer, ridurre i danni del wafer e garantire il funzionamento stabile delle linee di produzione automatizzate.

2) Parti strutturali dell'attrezzatura di processo ad alta temperatura:

Esempi di componenti: tubi del forno per diffusione/ossidazione, barche/cantilever, tubi di protezione della termocoppia, ugelli.

Applicazione: utilizzare la resistenza ad alta temperatura di SIC, la resistenza alle shock termiche, l'inertezza chimica e le basse caratteristiche di inquinamento.

Valore dell'applicazione: fornire un ambiente di processo stabile in ossidazione ad alta temperatura, diffusione, ricottura e altri processi, prolungare la durata delle apparecchiature e ridurre la manutenzione.

3) Componenti in ceramica di precisione:

Esempi di componenti: cuscinetti, foche, guide, piastre lapping.

Applicazione: utilizzare l'elevata durezza di SIC, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e stabilità dimensionale.

Valore dell'applicazione: prestazioni eccellenti in alcuni componenti meccanici che richiedono alta precisione, lunga durata e resistenza ad ambienti duri, come alcuni componenti utilizzati nelle apparecchiature CMP (lucidatura meccanica chimica).

4) Componenti ottici:

Esempi di componenti: specchi per ottica UV/raggi X, finestre ottiche.

Usi: l'alta rigidità di SIC, bassa espansione termica, alta conducibilità termica e polabilità lo rendono un materiale ideale per la produzione di specchi ad alta stabilità su larga scala (specialmente nei telescopi spaziali o nelle fonti di radiazione di sincrotrone).

Valore dell'applicazione: fornisce eccellenti prestazioni ottiche e stabilità dimensionale in condizioni estreme.