Grafitové báze s povlakem SiC se běžně používají k podepření a ohřevu monokrystalických substrátů v zařízeních pro chemickou depozici z plynné fáze s organickými kovy (MOCVD). Tepelná stabilita, tepelná rovnoměrnost a další výkonnostní parametry grafitové báze s povlakem SiC hrají rozhodující roli v kvalitě epitaxního růstu materiálu, takže jsou klíčovou součástí zařízení MOCVD.
V procesu výroby destiček se na některé substráty destiček dále konstruují epitaxní vrstvy, aby se usnadnila výroba součástek. Typická LED svítidla vyžadují přípravu epitaxních vrstev GaAs na křemíkových substrátech; epitaxní vrstva SiC se pěstuje na vodivém substrátu SiC pro konstrukci součástek, jako jsou SBD, MOSFET atd., pro vysokonapěťové, vysokoproudové a další výkonové aplikace; epitaxní vrstva GaN se konstruuje na poloizolovaném substrátu SiC pro další konstrukci HEMT a dalších součástek pro RF aplikace, jako je komunikace. Tento proces je neoddělitelný od CVD zařízení.
V CVD zařízení nelze substrát umístit přímo na kov ani jednoduše na podložku pro epitaxní depozici, protože je ovlivněn prouděním plynu (horizontálním, vertikálním), teplotou, tlakem, fixací, uvolňováním znečišťujících látek a dalšími aspekty. Proto je potřeba podložka, na kterou se umístí substrát na disk a následně se na substrát pomocí CVD technologie provede epitaxní depozice. Touto podložkou je grafitová podložka potažená SiC (známá také jako miska).
Grafitové báze s povlakem SiC se běžně používají k podepření a ohřevu monokrystalických substrátů v zařízeních pro chemickou depozici z plynné fáze s organickými kovy (MOCVD). Tepelná stabilita, tepelná rovnoměrnost a další výkonnostní parametry grafitové báze s povlakem SiC hrají rozhodující roli v kvalitě epitaxního růstu materiálu, takže jsou klíčovou součástí zařízení MOCVD.
Chemická depozice z plynné fáze organokovových sloučenin (MOCVD) je hlavní technologií pro epitaxní růst GaN filmů v modrých LED diodách. Má výhody jednoduchého provozu, řiditelné rychlosti růstu a vysoké čistoty GaN filmů. Jako důležitá součást reakční komory zařízení MOCVD musí mít ložisková základna použitá pro epitaxní růst GaN filmů výhody vysoké teplotní odolnosti, rovnoměrné tepelné vodivosti, dobré chemické stability, silné odolnosti proti tepelným šokům atd. Grafitový materiál může splňovat výše uvedené podmínky.
Grafitová báze, jedna z hlavních součástí zařízení MOCVD, je nosičem a topným tělesem substrátu, které přímo určuje jednotnost a čistotu filmového materiálu, takže její kvalita přímo ovlivňuje přípravu epitaxní fólie a zároveň se s rostoucím počtem použití a změnou pracovních podmínek velmi snadno opotřebovává a patří ke spotřebnímu materiálu.
Přestože má grafit vynikající tepelnou vodivost a stabilitu, má dobrou výhodu jako základní složka zařízení MOCVD. Během výrobního procesu však grafit v důsledku zbytků korozivních plynů a kovových organických látek koroduje prášek, což výrazně zkracuje životnost grafitové základny. Zároveň padající grafitový prášek znečišťuje třísku.
Vznik technologie povlakování může zajistit fixaci povrchového prášku, zvýšit tepelnou vodivost a vyrovnat rozložení tepla, což se stalo hlavní technologií pro řešení tohoto problému. Grafitová báze v prostředí, kde se zařízení MOCVD používají, by měla povrchová úprava grafitové báze splňovat následující vlastnosti:
(1) Grafitový základ lze plně obalit a hustota je dobrá, jinak by grafitový základ snadno korodoval v korozivním plynu.
(2) Kombinovaná pevnost s grafitovým základem je vysoká, aby se povlak po několika cyklech vysokých a nízkých teplot snadno neodlupoval.
(3) Má dobrou chemickou stabilitu, aby se zabránilo selhání povlaku při vysokých teplotách a korozivním prostředí.
SiC má výhody odolnosti proti korozi, vysoké tepelné vodivosti, odolnosti proti tepelným šokům a vysoké chemické stability a může dobře fungovat v epitaxní atmosféře GaN. Kromě toho se koeficient tepelné roztažnosti SiC liší jen velmi málo od koeficientu tepelné roztažnosti grafitu, takže SiC je preferovaným materiálem pro povrchovou úpravu grafitové báze.
V současné době se běžně používá SiC převážně typu 3C, 4H a 6H a použití SiC různých krystalů se liší. Například 4H-SiC lze použít k výrobě vysoce výkonných zařízení; 6H-SiC je nejstabilnější a lze z něj vyrábět fotoelektrická zařízení; díky své podobné struktuře jako GaN lze 3C-SiC použít k výrobě epitaxní vrstvy GaN a k výrobě RF zařízení SiC-GaN. 3C-SiC je také běžně známý jako β-SiC a důležité využití β-SiC spočívá ve výrobě filmů a povlaků, takže β-SiC je v současnosti hlavním materiálem pro povlaky.
Způsob přípravy povlaku z karbidu křemíku
V současné době zahrnují metody přípravy SiC povlaků především gel-sol metodu, metodu zalévání, metodu nanášení štětcem, metodu plazmového stříkání, metodu chemické reakce s plynem (CVR) a metodu chemické depozice z plynné fáze (CVD).
Způsob vkládání:
Tato metoda je druhem vysokoteplotního slinování v pevné fázi, které využívá hlavně směs práškového Si a práškového C jako zalévacího prášku, grafitová matrice se umístí do zalévacího prášku a vysokoteplotní slinování se provádí v inertním plynu a nakonec se na povrchu grafitové matrice získá povlak SiC. Proces je jednoduchý a kombinace mezi povlakem a substrátem je dobrá, ale rovnoměrnost povlaku ve směru tloušťky je špatná, což snadno vede k tvorbě více otvorů a špatné odolnosti proti oxidaci.
Metoda nanášení štětcem:
Metoda nanášení štětcem spočívá především v nanášení tekuté suroviny štětcem na povrch grafitové matrice a následném vytvrzování suroviny při určité teplotě pro přípravu povlaku. Proces je jednoduchý a levný, ale povlak připravený metodou nanášení štětcem je v kombinaci se substrátem slabý, má špatnou rovnoměrnost povlaku, tenký povlak a nízkou odolnost proti oxidaci, a proto je třeba použít jiné metody, které by tomu pomohly.
Metoda plazmového stříkání:
Metoda plazmového stříkání spočívá především ve stříkání roztavených nebo poloroztavených surovin na povrch grafitové matrice pomocí plazmové pistole, jejichž následné ztuhnutí a spojení vytvoří povlak. Metoda je snadno ovladatelná a umožňuje připravit relativně hustý povlak karbidu křemíku, ale povlak karbidu křemíku připravený touto metodou je často příliš slabý a vede ke nízké odolnosti proti oxidaci, proto se obecně používá pro přípravu kompozitních povlaků SiC ke zlepšení kvality povlaku.
Metoda gel-sol:
Metoda gel-sol spočívá především v přípravě rovnoměrného a transparentního roztoku solu pokrývajícího povrch matrice, jeho vysušení do gelu a následném spékání za účelem získání povlaku. Tato metoda je snadno ovladatelná a levná, ale vyrobený povlak má určité nedostatky, jako je nízká odolnost vůči tepelným šokům a snadné praskání, takže nemůže být široce používán.
Chemická plynová reakce (CVR):
CVR vytváří povlak SiC převážně pomocí prášku Si a SiO2 k vytvoření páry SiO při vysoké teplotě a na povrchu substrátu z materiálu C dochází k řadě chemických reakcí. Povlak SiC připravený touto metodou je těsně spojen se substrátem, ale reakční teplota je vyšší a náklady jsou vyšší.
Chemická depozice z plynné fáze (CVD):
V současné době je CVD hlavní technologií pro přípravu SiC povlaků na povrchu substrátu. Hlavním procesem je série fyzikálních a chemických reakcí reaktantů v plynné fázi na povrchu substrátu a nakonec se SiC povlak připraví depozicí na povrch substrátu. SiC povlak připravený technologií CVD je těsně spojen s povrchem substrátu, což může účinně zlepšit odolnost proti oxidaci a ablaci, ale doba depozice této metody je delší a reakční plyn obsahuje určité toxické plyny.
Tržní situace na bázi grafitu s povlakem SiC
Když zahraniční výrobci začali brzy, měli jasný náskok a vysoký podíl na trhu. Mezi hlavní mezinárodní dodavatele grafitové báze s povlakem SiC patří nizozemský Xycard, německý SGL Carbon (SGL), japonský Toyo Carbon, americký MEMC a další společnosti, které v podstatě okupují mezinárodní trh. Přestože Čína prorazila klíčovou technologii rovnoměrného růstu povlaku SiC na povrchu grafitové matrice, vysoce kvalitní grafitová matrice se stále spoléhá na německý SGL, japonský Toyo Carbon a další podniky. Grafitová matrice dodávaná domácími podniky ovlivňuje životnost v důsledku tepelné vodivosti, modulu pružnosti, modulu tuhosti, mřížkových vad a dalších problémů s kvalitou. Zařízení MOCVD nemůže splňovat požadavky na použití grafitové báze s povlakem SiC.
Čínský polovodičový průmysl se rychle rozvíjí. S postupným zvyšováním míry lokalizace epitaxních zařízení MOCVD a rozšiřováním dalších procesních aplikací se očekává rychlý růst trhu s grafitovými produkty s povlakem SiC. Podle předběžných odhadů odvětví přesáhne domácí trh s grafitovými produkty v příštích několika letech objem 500 milionů juanů.
Grafitová báze s povlakem SiC je klíčovou součástí zařízení pro industrializaci polovodičových sloučenin. Zvládnutí klíčové technologie její výroby a zpracování a realizace lokalizace celého průmyslového řetězce surovin-proces-zařízení má velký strategický význam pro zajištění rozvoje čínského polovodičového průmyslu. Oblast domácí grafitové báze s povlakem SiC zažívá boom a kvalita produktů by mohla brzy dosáhnout mezinárodní pokročilé úrovně.
Čas zveřejnění: 24. července 2023