Material da epitaxia de carboneto de silício

O carboneto de silício, com a fórmula química sic, é um material semicondutor composto formado por fortes ligações covalentes entre os elementos de silício (SI) e carbono (C). Com suas excelentes propriedades físicas e químicas, ele desempenha um papel cada vez mais importante em muitos campos industriais, especialmente no exigente processo de fabricação de semicondutores.

Ⅰ. Propriedades físicas centrais do carboneto de silício (sic)

Compreender as propriedades físicas do SIC é a base para entender o valor do seu aplicativo:

1) Alta dureza:

A dureza Mohs do SiC é de cerca de 9-9,5, perdendo apenas para diamante. Isso significa que ele tem excelente resistência ao desgaste e arranhões.

Valor da aplicação: No processamento de semicondutores, isso significa que as peças feitas de SiC (como braços robóticos, tampas, discos de moagem) têm uma vida útil mais longa, reduzem a geração de partículas causadas pelo desgaste e, assim, melhoram a limpeza e a estabilidade do processo.

2) Excelentes propriedades térmicas:

● Alta condutividade térmica: 

A condutividade térmica do SiC é muito maior que a dos materiais tradicionais de silício e muitos metais (até 300 a 490W/(m⋅K) à temperatura ambiente, dependendo de sua forma e pureza de cristal).

Valor do aplicativo: pode dissipar o calor de maneira rápida e eficiente. Isso é fundamental para a dissipação de calor de dispositivos semicondutores de alta potência, que podem impedir que o dispositivo superaqueça e falhe e melhore a confiabilidade e o desempenho do dispositivo. Em equipamentos de processo, como aquecedores ou placas de resfriamento, a alta condutividade térmica garante a uniformidade da temperatura e a resposta rápida.

● Coeficiente de baixa expansão térmica: O SIC tem pouca mudança dimensional em uma ampla faixa de temperatura.

Valor da aplicação: Nos processos semicondutores que experimentam mudanças drásticas de temperatura (como o Rapid Térmico Recozimento), as peças do SIC podem manter sua forma e precisão dimensional, reduzir o estresse e a deformação causadas pela incompatibilidade térmica e garantir a precisão do processamento e o rendimento do dispositivo.

● Excelente estabilidade térmica: o SIC pode manter sua estrutura e estabilidade de desempenho em altas temperaturas e pode suportar temperaturas de até 1600 ∘C ou até mais alto em uma atmosfera inerte.

Valor da aplicação: Adequado para ambientes de processo de alta temperatura, como crescimento epitaxial, oxidação, difusão etc., e não é fácil de decompor ou reagir com outras substâncias.

● Boa resistência ao choque térmico: capaz de suportar mudanças rápidas de temperatura sem rachaduras ou danos.

Valor da aplicação: os componentes do SIC são mais duráveis ​​nas etapas do processo que requerem aumento rápido da temperatura e queda.

3) Propriedades elétricas superiores (especialmente para dispositivos semicondutores):

● BandGap amplo: o bandGAP do SiC é cerca de três vezes o de silício (SI) (por exemplo, o 4H-SIC é de cerca de 3,26ev e Si é de cerca de 1,12EV).

Valor do aplicativo:

Alta temperatura operacional: o largo de banda faz com que a concentração intrínseca de dispositivos SiC ainda seja muito baixa em altas temperaturas, para que possa operar em temperaturas muito mais altas que os dispositivos de silício (até 300 ° C ou mais).

Campo elétrico de ruptura de alto ruptura: A força de ruptura do campo elétrico do SiC é quase 10 vezes a do silício. Isso significa que, no mesmo nível de resistência à tensão, os dispositivos SiC podem ser mais finos e a resistência à região de desvio é menor, reduzindo assim as perdas de condução.

Forte resistência à radiação: o largo de banda também faz com que ele tenha melhor resistência à radiação e é adequado para ambientes especiais, como aeroespacial.

● Velocidade de desvio de elétrons de alta saturação: a velocidade de desvio do elétron de saturação do SiC é duas vezes a do silício.

Valor da aplicação: isso permite que os dispositivos SIC operem em frequências de comutação mais altas, o que é benéfico para reduzir o volume e o peso dos componentes passivos, como indutores e capacitores no sistema e melhorar a densidade de potência do sistema.

4) Excelente estabilidade química:

O SIC tem forte resistência à corrosão e não reage com a maioria dos ácidos, bases ou sais fundidos à temperatura ambiente. Ele reage com certos oxidantes fortes ou bases fundidas apenas a altas temperaturas.

Valor da aplicação: Em processos que envolvem produtos químicos corrosivos, como gravura e limpeza semicondutores, componentes SiC (como barcos, tubos e bocais) têm vida útil mais longa e menor risco de contaminação. Em processos secos, como a gravação plasmática, sua tolerância ao plasma também é melhor do que muitos materiais tradicionais.

5)Alta pureza (alta pureza alcançável):

Os materiais SiC de alta pureza podem ser preparados por métodos como deposição de vapor químico (DCV).

Valor do usuário: Na fabricação de semicondutores, a pureza do material é crítica e quaisquer impurezas podem afetar o desempenho e o rendimento do dispositivo. Os componentes SiC de alta pureza minimizam a contaminação de bolachas de silício ou ambientes de processo.

Ⅱ. Aplicação de carboneto de silício (sic) como substrato epitaxial

As bolachas de cristal único SiC são materiais de substrato-chave para fabricar dispositivos de energia SIC de alto desempenho (como MOSFETS, JFETS, SBDS) e dispositivos RF/potência de nitreto de gálio (GaN).

Cenários de aplicativos específicos e usos:

1) Epitaxia sic-on-SiC:

Uso: Em um substrato de cristal único SiC de alta pureza, uma camada epitaxial SiC com doping e espessura específica é cultivada por epitaxia de vapor químico (CVD) para construir a área ativa dos dispositivos de potência SiC.

Valor da aplicação: A excelente condutividade térmica do substrato SiC ajuda o dispositivo a dissipar o calor, e as características amplas de bandGAP permitem que o dispositivo suporta a operação de alta tensão, alta temperatura e alta frequência. Isso faz com que os dispositivos de energia SiC tenham um bom desempenho em veículos novos (controle elétrico, pilhas de carregamento), inversores fotovoltaicos, acionamentos motores industriais, grades inteligentes e outros campos, melhorando significativamente a eficiência do sistema e reduzindo o tamanho e o peso do equipamento.

2) Epitaxia Gan-on-SiC:

Uso: Os substratos SiC são ideais para o cultivo de camadas epitaxiais de GaN de alta qualidade (especialmente para dispositivos de RF de alta frequência e alta potência, como Hemts) devido à sua boa estrutura correspondente a GaN (em comparação com safira e silício) e condutividade térmica extremamente alta.

Valor da aplicação: Os substratos SiC podem efetivamente conduzir uma grande quantidade de calor gerado pelos dispositivos GAN durante a operação para garantir a confiabilidade e o desempenho dos dispositivos. Isso faz com que os dispositivos Gan-on-SIC tenham vantagens insubstituíveis em estações base de comunicação 5G, sistemas de radar, contramedidas eletrônicas e outros campos.

Ⅲ. Aplicação de carboneto de silício (sic) como revestimento

Os revestimentos do SIC são geralmente depositados na superfície de substratos como grafite, cerâmica ou metais pelo método CVD para fornecer ao substrato SIC excelentes propriedades.

Cenários de aplicativos específicos e usos:

1) Componentes de equipamentos de gravura plasmática:

Exemplos de componentes: chuveiros, revestimentos de câmara, superfícies escão escassas, anéis de foco, janelas de gravação.

Usos: Em um ambiente de plasma, esses componentes são bombardeados por íons de alta energia e gases corrosivos. Os revestimentos do SIC protegem esses componentes críticos contra danos com alta dureza, alta estabilidade química e resistência à erosão do plasma.

Valor da aplicação: prolongar a vida dos componentes, reduzir as partículas geradas pela erosão dos componentes, melhorar a estabilidade e a repetibilidade do processo, reduza os custos de manutenção e o tempo de inatividade e garantir a limpeza do processamento da wafer.

2) Componentes de equipamentos de crescimento epitaxial:

Exemplos de componentes: Susceptores/transportadores de wafer, elementos do aquecedor.

Usos: Em ambientes de crescimento epitaxial de alta temperatura e alta pureza, os revestimentos SiC (geralmente SiC de alta pureza) podem fornecer excelente estabilidade de alta temperatura e inércia química para impedir a reação com gases de processo ou liberação de impurezas.

Valor da aplicação: verifique a qualidade e a pureza da camada epitaxial, melhore a uniformidade da temperatura e controle a precisão.

3) Outros componentes de equipamentos de processo:

Exemplos de componentes: discos de grafite de equipamentos MOCVD, barcos revestidos com SiC (barcos para difusão/oxidação).

Usos: Forneça superfícies resistentes à corrosão, de alta temperatura, resistentes à temperatura.

Valor do aplicativo: melhore a confiabilidade do processo e a vida dos componentes.

Ⅳ. Aplicação de carboneto de silício (SIC) como outros componentes específicos do produto (outros componentes específicos do produto)

Além de ser um substrato e revestimento, o próprio SiC também é processado diretamente em vários componentes de precisão devido ao seu excelente desempenho abrangente.

Cenários de aplicativos específicos e usos:

1) Manuseio de bolacha e componentes de transferência:

Exemplos de componentes: efetores finais do robô, chucks a vácuo, garras de borda, pinos de elevação.

Uso: Esses componentes requerem alta rigidez, alta resistência ao desgaste, baixa expansão térmica e alta pureza para garantir que nenhuma partícula seja gerada, sem arranhões de wafer e nenhuma deformação devido a mudanças de temperatura ao transportar bolachas em alta velocidade e alta precisão.

Valor da aplicação: melhore a confiabilidade e a limpeza da transmissão de wafer, reduza os danos a wafer e garanta a operação estável das linhas de produção automatizadas.

2) Equipamento de processo de alta temperatura Peças estruturais:

Exemplos de componentes: tubos do forno para difusão/oxidação, barcos/cantilevers, tubos de proteção de termopar, bicos.

APLICAÇÃO: Utilize a força de alta temperatura da SIC, a resistência ao choque térmico, a inércia química e as características de baixa poluição.

Valor da aplicação: Forneça um ambiente de processo estável na oxidação, difusão, recozimento e outros processos de alta temperatura, estenda a vida útil do equipamento e reduza a manutenção.

3) Componentes de cerâmica de precisão:

Exemplos de componentes: rolamentos, focas, guias, placas de lapidação.

Aplicação: Utilize a alta dureza, resistência ao desgaste do SIC, resistência à corrosão e estabilidade dimensional.

Valor da aplicação: Excelente desempenho em alguns componentes mecânicos que requerem alta precisão, vida longa e resistência a ambientes severos, como alguns componentes usados ​​em equipamentos de CMP (polimento mecânico químico).

4) Componentes ópticos:

Exemplos de componentes: espelhos para óptica de raios UV/X, janelas ópticas.

Usos: A alta rigidez do SIC, baixa expansão térmica, alta condutividade térmica e polimento o tornam um material ideal para fabricar espelhos em larga escala e alta estabilidade (especialmente em telescópios espaciais ou fontes de radiação síncrotron).

Valor da aplicação: fornece excelente desempenho óptico e estabilidade dimensional em condições extremas.