电子设备展|SiC、TaC涂层在半导体领域应用

半导体指常温下导电性能介于绝缘体与导体之间的材料，通过掺加杂质（简称掺杂）之后可以成为导体。其中硅是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种，也被称为第一代半导体材料。随着时代的发展，陆续又出现了第二代半导体材料（GaAs、InP）和第三代半导体材料（SiC、GaN）。

广义上的半导体板块指的是利用半导体材料的特性，使用相关的半导体制造工艺生产半导体集成电路（IC）、半导体显示（LCD/OLED面板）、半导体照明（LED）、半导体能源（光伏）产品。其中集成电路占比高达8成，因此狭义上的半导体行业仅仅指集成电路（IC）行业。

电子设备展了解到，半导体生产制造简单的说就是在某种“基底”上制作电路结构，最后将这个电路与外部的电源和控制系统连接，就可以实现各种各样的功能。这个“基底”在行业内有个专门的术语叫做衬底，衬底的材质可以是Si或者SiC等半导体材料，也可以是蓝宝石或者玻璃等这样的非半导体材料。除LED和面板行业以外，硅晶圆是最广泛使用的衬底。而外延是指在衬底上再生长一层新的薄膜材料的工艺，常见的外延层材料有Si、SiC、GaN、GaAs等。外延为器件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性，例如可以控制外延层掺杂厚度、浓度、轮廊，而这些因素是与衬底无关的，这种控制可以通过外延生长过程中的掺杂来实现。前道工艺是半导体全制程中所需技术最复杂且资金投入最多的制程，需要多次重复相同的工序进行产品生产，因此称为“循环型工艺”，主要包括：清洗、氧化、光刻、刻蚀、离子注入、扩散、退火、薄膜沉积、抛光等等。

半导体制造设备内部是通常是高温、高腐蚀的恶劣生产环境，且对洁净度要求极高，因此如何对设备内部的零部件进行保护是一项很重要的课题。涂层技术通过在基体材料表面形成一层很薄的覆盖层，可以为基体材料进行一定的强化、防护，以应对更极端、更复杂的生产环境，从而提升基体材料的高温稳定性、抗腐蚀性和抗氧化性，延长使用寿命。

硅衬底制造领域

在硅长晶炉中，充斥着约1500℃的高温硅蒸汽，而硅蒸汽对石墨或者碳碳材料部件有着强烈的腐蚀作用，在这些部件表面涂上一层高纯SiC涂层可以有效阻挡硅蒸汽，延长部件使用寿命。

半导体硅片的生产流程复杂，涉及工艺众多，主要生产环节包含晶体生长、硅片成型、外延生长等工艺。长晶是硅片生产最核心的环节。单晶制备阶段决定了硅片的直径、晶向、掺杂导电类型、电阻率范围及分布、碳氧浓度、晶格缺陷等技术参数。

单晶硅制备方法包括直拉法（CZ法）和区熔法（FZ法）两类。直拉法是最常用的制备工艺，采用直拉法的硅单晶约占85%，12英寸硅片只能用直拉法生产。

直拉法的原理是将高纯度的多晶硅原料放置在石英坩埚中，在高纯惰性气体的保护下加热熔化，再将单晶硅籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体找寻到熔化点后，随着籽晶的提拉晶体逐渐生长形成单晶硅棒。

碳化硅衬底制造领域

SiC的本身特性（常压下没有Si:C=1:1的液相存在）决定了其单晶生长难度较大，目前比较主流的方法有物理气相传输（PVT）法、高温气相化学沉积（HT-CVD）法以及液相（LPE）法等。其中PVT法对生长设备要求低，过程简单，可控性强，技术发展相对成熟，已经实现了产业化应用，也是目前最为主流的生长方法。

PVT法通过控制石墨坩埚外部保温条件可以实现对轴向与径向温场的调控。将SiC粉料置于温度较高的石墨坩埚底端，SiC籽晶固定在温度较低的石墨坩埚顶。一般控制粉料与籽晶之间的距离为数十毫米以避免生长的SiC晶体与粉料接触。通过不同的加热方法（感应加热或电阻加热）将SiC粉料加热到2200-2500℃，原粉料升华分解为Si、Si2C、SiC2等气相成分，随着气体对流被运输到籽晶端，并在籽晶上结晶出SiC晶体，实现单晶生长。其典型的生长速率为0.2-0.4mm/h，通常生长20-30mm晶锭需要7-14天。

PVT法生长SiC晶体存在碳包裹体缺陷，碳包裹体同时还是晶体生长过程中微管和外来多型缺陷的重要来源，碳包裹体的存在大大降低了SiC晶体的质量，限制了SiC基器件的优异性能。一般来说，碳化硅粉末的石墨化和生长前沿的富C组分是公认的碳包裹体的两个来源，即：

1、SiC粉料分解时Si蒸汽在气相中聚集，C在固相中聚集，到生长后期SiC粉料会严重碳化。一旦粉料中的碳颗粒克服自身重力扩散到SiC晶锭中就会形成碳包裹体。2、在富Si气氛条件下，多余的Si蒸汽与石墨坩埚壁发生反应形成一层薄薄的SiC层，薄SiC层很容易分解为碳颗粒和含Si组分。

针对以上两点来源，碳包裹体的问题可以分两个方向解决：

1、过滤掉生长后期SiC粉料中严重碳化的碳颗粒；

2、阻止Si蒸汽腐蚀石墨坩埚壁。能在2000℃以上的高温中稳定工作的很多是碳化物，其中TaC熔点高达3880℃，高温下耐酸碱、NH3、H2和Si蒸汽等化学腐蚀，随着近些年对SiC晶圆的品质要求越来越高，TaC涂层在SiC长晶技术中的应用也开始了产业化探索。经过研究发现，在PVT长晶炉中使用TaC涂层石墨部件后制备的SiC晶体更纯净，缺陷密度明显降低，晶体的品质得到极大提升。

a、多孔TaC或TaC涂层多孔石墨：过滤碳颗粒，避免向晶体扩散，均匀气流。

b、TaC涂层环：将Si蒸汽和石墨坩埚壁隔绝，避免坩埚壁被Si蒸汽腐蚀。

c、TaC涂层导流筒：隔绝Si蒸汽和石墨坩埚壁的同时，引导气流向籽晶汇聚。
d、TaC涂层籽晶托：隔绝Si蒸汽和石墨坩埚的顶盖，避免顶盖被Si蒸汽腐蚀。