Matériau de l'épitaxie en carbure de silicium

Le carbure de silicium, avec la formule chimique, est un matériau semi-conducteur composé formé de fortes liaisons covalentes entre les éléments de silicium (Si) et de carbone (C). Avec ses excellentes propriétés physiques et chimiques, il joue un rôle de plus en plus important dans de nombreux domaines industriels, en particulier dans le processus de fabrication de semi-conducteurs exigeants.

Ⅰ. Propriétés physiques de base du carbure de silicium (sic)

Comprendre les propriétés physiques du SIC est la base de la compréhension de sa valeur d'application:

1) Fureur élevée:

La dureté MOHS de SIC est d'environ 9-9,5, la seconde juste derrière Diamond. Cela signifie qu'il a une excellente usure et une résistance aux rayures.

Valeur de l'application: Dans le traitement des semi-conducteurs, cela signifie que les pièces en SiC (comme les bras robotiques, les ornes, les disques de broyage) ont une durée de vie plus longue, réduisent la génération de particules causée par l'usure et améliorent ainsi la propreté et la stabilité du processus.

2) Excellentes propriétés thermiques:

● Haute conductivité thermique: 

La conductivité thermique du SIC est beaucoup plus élevée que celle des matériaux de silicium traditionnels et de nombreux métaux (jusqu'à 300−490W / (M⋅K) à température ambiante, selon sa forme cristalline et sa pureté).

Valeur de l'application: il peut dissiper la chaleur rapidement et efficacement. Cela est essentiel pour la dissipation de chaleur des dispositifs semi-conducteurs haute puissance, qui peuvent empêcher l'appareil de surchauffer et de défaillance, et améliorer la fiabilité et les performances de l'appareil. Dans l'équipement de processus, tels que les radiateurs ou les plaques de refroidissement, une conductivité thermique élevée garantit l'uniformité de la température et la réponse rapide.

● Coefficient d'extension thermique faible: Le SIC a peu de changement dimensionnel sur une large plage de températures.

Valeur de l'application: Dans les processus semi-conducteurs qui subissent des changements de température drastiques (tels que le recuit thermique rapide), les pièces SIC peuvent maintenir leur forme et leur précision dimensionnelle, réduire les contraintes et la déformation causées par la décalage thermique et assurer la précision de traitement et le rendement de l'appareil.

● Excellente stabilité thermique: SIC peut maintenir sa structure et sa stabilité des performances à des températures élevées, et peut résister à des températures jusqu'à 1600 ∘C ou même plus dans une atmosphère inerte.

Valeur de l'application: Convient aux environnements de processus à haute température tels que la croissance épitaxiale, l'oxydation, la diffusion, etc., et n'est pas facile à décomposer ou à réagir avec d'autres substances.

● Bonne résistance aux chocs thermiques: capable de résister à des changements de température rapides sans fissuration ni dommage.

Valeur d'application: Les composants SIC sont plus durables dans les étapes de processus qui nécessitent une augmentation et une baisse de la température rapide.

3） Propriétés électriques supérieures (en particulier pour les dispositifs semi-conducteurs):

● Bandgap large: la bande interdite de SIC est environ trois fois celle du silicium (Si) (par exemple, 4H-SIC est d'environ 3,26ev et Si est d'environ 1,12ev).

Valeur d'application:

Température de fonctionnement élevée: la bande interdite large rend la concentration intrinsèque de porteurs de dispositifs SIC encore très faible à des températures élevées, donc elle peut fonctionner à des températures beaucoup plus élevées que les dispositifs de silicium (jusqu'à 300∘C ou plus).

Champ électrique élevé à haut débat: la résistance au champ électrique de panne du SIC est près de 10 fois celle du silicium. Cela signifie qu'au même niveau de résistance à la tension, les dispositifs SIC peuvent être rendus plus fins et que la résistance de la région de dérive est plus petite, réduisant ainsi les pertes de conduction.

Strong Radiation Resistance: la large bande interdite le fait également avoir une meilleure résistance aux rayonnements et convient à des environnements spéciaux tels que l'aérospatiale.

● Vitesse élevée de la dérive des électrons de saturation: la vitesse de dérive des électrons de saturation du SIC est le double de celle du silicium.

Valeur de l'application: Cela permet aux dispositifs SIC de fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées, ce qui est bénéfique pour réduire le volume et le poids des composants passifs tels que les inductances et les condensateurs du système et l'amélioration de la densité de puissance du système.

4） Excellente stabilité chimique:

Le SIC a une forte résistance à la corrosion et ne réagit pas avec la plupart des acides, des bases ou des sels fondus à température ambiante. Il réagit avec certains forts oxydants ou des bases fondus uniquement à des températures élevées.

Valeur de l'application: Dans les processus impliquant des produits chimiques corrosifs tels que la gravure et le nettoyage humides semi-conducteurs, les composants sic (tels que les bateaux, les tuyaux et les buses) ont une durée de vie plus longue et un risque de contamination plus faible. Dans les processus secs tels que la gravure du plasma, sa tolérance au plasma est également meilleure que de nombreux matériaux traditionnels.

5）Haute pureté (haute pureté réalisable):

Des matériaux SIC de haute pureté peuvent être préparés par des méthodes telles que le dépôt chimique de vapeur (CVD).

Valeur de l'utilisateur: Dans la fabrication de semi-conducteurs, la pureté des matériaux est essentielle et toute impureté peut affecter les performances et le rendement de l'appareil. Les composants SIC de haute pureté minimisent la contamination des plaquettes de silicium ou des environnements de processus.

Ⅱ. Application du carbure de silicium (sic) comme substrat épitaxial

Les tranches monocristallines SIC sont des matériaux de substrat clés pour la fabrication de dispositifs d'alimentation SIC haute performance (tels que MOSFETS, JFETS, SBDS) et les dispositifs RF / Power Nitrure (GAN) (GAN).

Scénarios et utilisations d'application spécifiques:

1) Epitaxy sic-on-sic:

Utilisation: Sur un substrat monocusstal SIC de haute pureté, une couche épitaxiale SIC avec dopage et épaisseur spécifiques est cultivée par une épitaxy chimique de vapeur (CVD) pour construire la zone active des dispositifs d'alimentation SIC.

Valeur de l'application: L'excellente conductivité thermique du substrat SIC aide le dispositif à dissiper la chaleur, et les caractéristiques larges de bandes permettent à l'appareil de résister à une tension élevée, à une température élevée et à un fonctionnement haute fréquence. Cela fait que les dispositifs d'alimentation SIC fonctionnent bien dans de nouveaux véhicules énergétiques (contrôle électrique, tas de charge), onduleurs photovoltaïques, lecteurs moteurs industriels, réseaux intelligents et autres champs, améliorant considérablement l'efficacité du système et réduisant la taille et le poids de l'équipement.

2) Gan-on-Sic Epitaxy:

Utilisation: Les substrats SIC sont idéaux pour développer des couches épitaxiales GaN de haute qualité (en particulier pour les dispositifs RF haute fréquence et haute puissance tels que Hemts) en raison de leur bonne correspondance de réseau avec le GAN (par rapport au saphir et au silicium) et à une conductivité thermique extrêmement élevée.

Valeur de l'application: Les substrats SIC peuvent effectuer efficacement une grande quantité de chaleur générée par les appareils GaN pendant le fonctionnement pour assurer la fiabilité et les performances des appareils. Cela fait que les appareils GAn-on-SIC ont des avantages irremplaçables dans les stations de base de communication 5G, les systèmes radar, les contre-mesures électroniques et autres champs.

Ⅲ. Application de carbure de silicium (sic) comme revêtement

Les revêtements SIC sont généralement déposés à la surface de substrats tels que le graphite, la céramique ou les métaux par méthode CVD pour donner au substrat d'excellentes propriétés.

Scénarios et utilisations d'application spécifiques:

1) Composants de l'équipement de gravure du plasma:

Exemples de composants: pommes de douche, doublures de chambre, surfaces ESC, anneaux de mise au point, fenêtres de gravure.

Utilisations: Dans un environnement plasmatique, ces composants sont bombardés par des ions à haute énergie et des gaz corrosifs. Les revêtements SIC protègent ces composants critiques contre les dommages avec leur dureté élevée, leur stabilité chimique élevée et leur résistance à l'érosion du plasma.

Valeur de l'application: prolonger la durée de vie des composants, réduire les particules générées par l'érosion des composants, améliorer la stabilité du processus et la répétabilité, réduire les coûts de maintenance et les temps d'arrêt et assurer la propreté du traitement des plaquettes.

2) Composants de l'équipement de croissance épitaxiale:

Exemples de composants: Suscepteurs / porteurs de plaquettes, éléments de chauffage.

Utilisations: Dans les environnements de croissance épitaxiale à haute température et à haute pureté, les revêtements SiC (généralement SIC à haute pureté) peuvent offrir une excellente stabilité à haute température et une inertie chimique pour prévenir la réaction avec les gaz de processus ou la libération d'impuretés.

Valeur de l'application: assurer la qualité et la pureté de la couche épitaxiale, améliorer l'uniformité de la température et la précision de contrôle.

3) Autres composants de l'équipement de processus:

Exemples de composants: Disques de graphite de l'équipement MOCVD, bateaux enduits de SiC (bateaux pour diffusion / oxydation).

Utilisations: Fournir des surfaces de haute pureté résistantes à la corrosion, à haute température.

Valeur de l'application: améliorer la fiabilité du processus et la durée de vie des composants.

Ⅳ. Application de carbure de silicium (SIC) comme d'autres composants de produit spécifiques (autres composants de produits spécifiques)

En plus d'être un substrat et un revêtement, le SIC lui-même est également directement transformé en divers composants de précision en raison de ses excellentes performances complètes.

Scénarios et utilisations d'application spécifiques:

1) Composants de manutention et de transfert des plaquettes:

Examples of components: Robot End Effectors, Vacuum Chucks, Edge Grips, Lift Pins.

Utilisation: Ces composants nécessitent une rigidité élevée, une résistance à l'usure élevée, une forte expansion thermique et une pureté élevée pour garantir qu'aucune particules n'est générée, pas de rayures de plaquette et aucune déformation due aux changements de température lors du transport de plaquettes à haute vitesse et à haute précision.

Valeur de l'application: améliorer la fiabilité et la propreté de la transmission de la plaquette, réduire les dommages à la tranche et assurer le fonctionnement stable des lignes de production automatisées.

2) Équipements de processus à haute température Pièces structurelles:

Exemples de composants: tubes de la fournaise pour diffusion / oxydation, bateaux / cantilevers, tubes de protection des thermocouples, buses.

Application: Utilisez la résistance à haute température de SIC, la résistance aux chocs thermiques, l'inertie chimique et les faibles caractéristiques de pollution.

Valeur de l'application: Fournir un environnement de processus stable dans l'oxydation, la diffusion, le recuit et les autres processus à haute température, prolonger la durée de vie de l'équipement et réduire la maintenance.

3) Composants en céramique de précision:

Exemples de composants: roulements, joints, guides, plaques de rodage.

Application: Utilisez la dureté élevée de SIC, la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la stabilité dimensionnelle.

Valeur de l'application: Excellentes performances dans certains composants mécaniques qui nécessitent une grande précision, une longue durée de vie et une résistance aux environnements difficiles, tels que certains composants utilisés dans les équipements CMP (polissage mécanique chimique).

4) Composants optiques:

Exemples de composants: Miroirs pour l'optique UV / Rays X, fenêtres optiques.

Utilisations: La rigidité élevée de la SIC, la faible augmentation thermique, la conductivité thermique élevée et la poulabilité en font un matériau idéal pour fabriquer des miroirs à grande échelle et à haute stabilité (en particulier dans les télescopes spatiaux ou les sources de rayonnement synchrotron).

Valeur de l'application: fournit d'excellentes performances optiques et stabilité dimensionnelle dans des conditions extrêmes.