Material de epitaxia de carburo de silicio

El carburo de silicio, con la fórmula química, es un material semiconductor compuesto formado por fuertes enlaces covalentes entre los elementos de silicio (Si) y carbono (c). Con sus excelentes propiedades físicas y químicas, juega un papel cada vez más importante en muchos campos industriales, especialmente en el exigente proceso de fabricación de semiconductores.

Ⅰ. Propiedades físicas centrales del carburo de silicio (sic)

Comprender las propiedades físicas de SIC es la base para comprender el valor de su aplicación:

1) Alta dureza:

La dureza de SIC de Mohs es de aproximadamente 9-9.5, solo superada por el diamante. Esto significa que tiene una excelente resistencia de desgaste y rasguños.

Valor de la aplicación: en el procesamiento de semiconductores, esto significa que las piezas hechas de SiC (como brazos robóticos, chucks, molienda de discos) tienen una vida más larga, reducen la generación de partículas causadas por el desgaste y, por lo tanto, mejoran la limpieza y la estabilidad del proceso.

2) Excelentes propiedades térmicas:

● Alta conductividad térmica: 

La conductividad térmica de SIC es mucho más alta que la de los materiales de silicio tradicionales y muchos metales (hasta 300-490W/(m⋅K) a temperatura ambiente, dependiendo de su forma y pureza de cristal).

Valor de la aplicación: puede disipar el calor de manera rápida y eficiente. Esto es crítico para la disipación de calor de los dispositivos semiconductores de alta potencia, lo que puede evitar que el dispositivo se sobrecalienta y falla, y mejore la confiabilidad y el rendimiento del dispositivo. En los equipos de proceso, como calentadores o placas de enfriamiento, la alta conductividad térmica asegura la uniformidad de la temperatura y la respuesta rápida.

● Coeficiente de expansión térmica baja: SIC tiene poco cambio dimensional en un amplio rango de temperatura.

Valor de la aplicación: en procesos semiconductores que experimentan cambios de temperatura drástica (como el recocido térmico rápido), las piezas SIC pueden mantener su forma y precisión dimensional, reducir el estrés y la deformación causados ​​por la falta de coincidencia térmica y garantizar la precisión del procesamiento y el rendimiento del dispositivo.

● Excelente estabilidad térmica: SIC puede mantener su estructura y estabilidad de rendimiento a altas temperaturas, y puede soportar temperaturas de hasta 1600 ∘c o incluso más en una atmósfera inerte.

Valor de la aplicación: adecuado para entornos de procesos de alta temperatura, como el crecimiento epitaxial, la oxidación, la difusión, etc., y no es fácil de descomponer o reaccionar con otras sustancias.

● Buena resistencia al choque térmico: capaz de soportar cambios de temperatura rápidos sin grietas ni daños.

Valor de la aplicación: los componentes SIC son más duraderos en los pasos de proceso que requieren un rápido aumento y disminución de la temperatura.

3） Propiedades eléctricas superiores (especialmente para dispositivos semiconductores):

● Bandgap ancho: el BandGap de SIC es aproximadamente tres veces mayor que el de Silicon (SI) (por ejemplo, 4H-SIC es aproximadamente 3.26EV y SI es aproximadamente 1.12EV).

Valor de la aplicación:

Alta temperatura de funcionamiento: el amplio bandero de banda hace que la concentración intrínseca del portador de dispositivos SIC sea muy bajo a altas temperaturas, por lo que puede funcionar a temperaturas mucho más altas que los dispositivos de silicio (hasta 300 ° C o más).

Campo eléctrico de ruptura alta: la resistencia al campo eléctrico de descomposición de SIC es casi 10 veces mayor que la de Silicon. Esto significa que al mismo nivel de resistencia de voltaje, los dispositivos SIC pueden ser más delgados y la resistencia de la región de deriva es menor, reduciendo así las pérdidas de conducción.

Resistencia de radiación fuerte: el ancho de banda ancha también hace que tenga una mejor resistencia a la radiación y es adecuada para entornos especiales como el aeroespacial.

● Velocidad de deriva de electrones de alta saturación: la velocidad de deriva de electrones de saturación de SIC es el doble que la del silicio.

Valor de la aplicación: esto permite que los dispositivos SIC funcionen a frecuencias de conmutación más altas, lo cual es beneficioso para reducir el volumen y el peso de los componentes pasivos, como inductores y condensadores en el sistema y mejorar la densidad de potencia del sistema.

4） Excelente estabilidad química:

SIC tiene una fuerte resistencia a la corrosión y no reacciona con la mayoría de los ácidos, bases o sales fundidas a temperatura ambiente. Reacciona con ciertos oxidantes fuertes o bases fundidas solo a altas temperaturas.

Valor de la aplicación: en procesos que involucran productos químicos corrosivos como el grabado y la limpieza húmedos de semiconductores, los componentes SIC (como barcos, tuberías y boquillas) tienen una vida útil más larga y un menor riesgo de contaminación. En procesos secos como el grabado de plasma, su tolerancia al plasma también es mejor que muchos materiales tradicionales.

5）Alta pureza (alta pureza alcanzable):

Los materiales SIC de alta pureza se pueden preparar mediante métodos como la deposición de vapor químico (CVD).

Valor del usuario: en la fabricación de semiconductores, la pureza del material es crítica, y cualquier impureza puede afectar el rendimiento y el rendimiento del dispositivo. Los componentes SIC de alta pureza minimizan la contaminación de las obleas de silicio o los entornos de proceso.

Ⅱ. Aplicación de carburo de silicio (sic) como sustrato epitaxial

Las obleas de cristal individual SIC son materiales de sustrato clave para fabricar dispositivos de potencia SIC de alto rendimiento (como MOSFET, JFET, SBDS) y dispositivos de potencia de Nitruro de galio (GaN).

Escenarios y usos específicos de la aplicación:

1) Epitaxy Sic-on-Sic:

Uso: en un sustrato de cristal único SIC de alta pureza, se cultiva una capa epitaxial SIC con dopaje y grosor específico por la epitaxia de vapor química (CVD) para construir el área activa de los dispositivos de potencia SIC.

Valor de la aplicación: la excelente conductividad térmica del sustrato SIC ayuda al dispositivo a disipar el calor, y las características anchas de banda de banda permiten al dispositivo resistir alto voltaje, alta temperatura y alta frecuencia. Esto hace que los dispositivos de potencia SIC funcionen bien en nuevos vehículos de energía (control eléctrico, pilas de carga), inversores fotovoltaicos, unidades de motor industrial, redes inteligentes y otros campos, mejorando significativamente la eficiencia del sistema y la reducción del tamaño y el peso del equipo.

2) Epitaxy GaN-on-Sic:

Uso: los sustratos SIC son ideales para crecientes capas epitaxiales de GaN de alta calidad (especialmente para dispositivos de RF de alta frecuencia, de alta potencia como HEMT) debido a su buena coincidencia de celosía con GaN (en comparación con el zafiro y el silicio) y la conductividad térmica extremadamente alta.

Valor de la aplicación: los sustratos SIC pueden realizar efectivamente una gran cantidad de calor generado por los dispositivos GaN durante la operación para garantizar la confiabilidad y el rendimiento de los dispositivos. Esto hace que los dispositivos GaN-on-SIC tengan ventajas insustituibles en estaciones base de comunicación 5G, sistemas de radar, contramedidas electrónicas y otros campos.

Ⅲ. Aplicación de carburo de silicio (sic) como recubrimiento

Los recubrimientos SIC generalmente se depositan en la superficie de sustratos como grafito, cerámica o metales por método CVD para dar al sustrato SIC excelentes propiedades.

Escenarios y usos específicos de la aplicación:

1) Componentes del equipo de grabado de plasma:

Ejemplos de componentes: cabezales de ducha, revestimientos de cámara, superficies ESC, anillos de enfoque, ventanas de grabado.

Usos: en un entorno de plasma, estos componentes son bombardeados por iones de alta energía y gases corrosivos. Los recubrimientos SIC protegen estos componentes críticos del daño con su alta dureza, alta estabilidad química y resistencia a la erosión en plasma.

Valor de la aplicación: Extienda la vida útil de los componentes, reduzca las partículas generadas por la erosión de los componentes, mejore la estabilidad del proceso y la repetibilidad, reduzca los costos de mantenimiento y el tiempo de inactividad y garantice la limpieza del procesamiento de la oblea.

2) Componentes del equipo de crecimiento epitaxial:

Ejemplos de componentes: susceptores/transportistas de obleas, elementos del calentador.

Usos: en entornos de crecimiento epitaxial de alta temperatura y alta pureza, los recubrimientos SIC (generalmente SIC de alta pureza) pueden proporcionar una excelente estabilidad de alta temperatura e inercia química para evitar la reacción con los gases de proceso o la liberación de impurezas.

Valor de la aplicación: asegurar la calidad y la pureza de la capa epitaxial, mejorar la uniformidad de la temperatura y la precisión de control.

3) Otros componentes del equipo de proceso:

Ejemplos de componentes: discos de grafito de equipos MOCVD, barcos recubiertos de SIC (barcos para difusión/oxidación).

Usos: proporcione superficies resistentes a la corrosión, resistentes a la alta temperatura y alta pureza.

Valor de la aplicación: mejorar la confiabilidad del proceso y la vida útil de los componentes.

Ⅳ. Aplicación de carburo de silicio (sic) como otros componentes específicos del producto (otros componentes específicos del producto)

Además de ser un sustrato y recubrimiento, SIC también se procesa directamente en varios componentes de precisión debido a su excelente rendimiento integral.

Escenarios y usos específicos de la aplicación:

1) Componentes de manejo y transferencia de obleas:

Ejemplos de componentes: efectores de extremo robot, chucks de vacío, agarres de borde, alfileres de elevación.

Uso: estos componentes requieren alta rigidez, alta resistencia al desgaste, baja expansión térmica y alta pureza para garantizar que no se generen partículas, no hay rasguños de obleas y sin deformación debido a cambios de temperatura al transportar obleas a alta velocidad y alta precisión.

Valor de la aplicación: mejorar la fiabilidad y la limpieza de la transmisión de la oblea, reducir el daño de la oblea y garantizar la operación estable de las líneas de producción automatizadas.

2) Equipo de proceso de alta temperatura Partes estructurales:

Ejemplos de componentes: tubos de horno para difusión/oxidación, barcos/voladizos, tubos de protección de termopar, boquillas.

Aplicación: Utilice la alta resistencia a la temperatura de SIC, la resistencia al choque térmico, la inercia química y las bajas características de contaminación.

Valor de la aplicación: proporcionar un entorno de proceso estable en oxidación de alta temperatura, difusión, recocido y otros procesos, extender la vida útil del equipo y reducir el mantenimiento.

3) Componentes cerámicos de precisión:

Ejemplos de componentes: cojinetes, sellos, guías, placas de lapiendo.

Aplicación: Utilice la alta dureza de SIC, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y estabilidad dimensional.

Valor de la aplicación: excelente rendimiento en algunos componentes mecánicos que requieren alta precisión, larga vida útil y resistencia a entornos duros, como algunos componentes utilizados en el equipo CMP (pulido mecánico químico).

4) Componentes ópticos:

Ejemplos de componentes: espejos para óptica UV/X-Ray, ventanas ópticas.

Usos: la alta rigidez de SIC, la baja expansión térmica, la alta conductividad térmica y la capacidad de pulir lo convierten en un material ideal para fabricar espejos a gran escala y alta estabilidad (especialmente en telescopios espaciales o fuentes de radiación sincrotronas).

Valor de la aplicación: proporciona un excelente rendimiento óptico y estabilidad dimensional en condiciones extremas.