SiC-beschichtete Graphitträger werden häufig zur Unterstützung und Erwärmung von Einkristallsubstraten in Anlagen zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) verwendet. Die thermische Stabilität, die thermische Gleichmäßigkeit und andere Leistungsparameter von SiC-beschichteten Graphitträgern spielen eine entscheidende Rolle für die Qualität des epitaktischen Materialwachstums und stellen daher die zentrale Schlüsselkomponente von MOCVD-Anlagen dar.
Bei der Waferherstellung werden auf einigen Wafersubstraten zusätzlich Epitaxieschichten aufgebaut, um die Herstellung von Bauelementen zu erleichtern. Typische LED-Leuchtbauelemente benötigen Epitaxieschichten aus GaAs auf Siliziumsubstraten. Die SiC-Epitaxieschicht wird auf dem leitfähigen SiC-Substrat für den Bau von Bauelementen wie SBD, MOSFET usw. für Hochspannungs-, Hochstrom- und andere Leistungsanwendungen gezüchtet. Die GaN-Epitaxieschicht wird auf einem halbisolierten SiC-Substrat aufgebaut, um HEMTs und andere Bauelemente für HF-Anwendungen wie die Kommunikation zu bauen. Dieser Prozess ist untrennbar mit der CVD-Anlage verbunden.
In CVD-Anlagen kann das Substrat für die epitaktische Abscheidung nicht direkt auf das Metall oder einfach auf eine Unterlage gelegt werden, da Gasströmung (horizontal, vertikal), Temperatur, Druck, Fixierung, Schadstoffabscheidung und weitere Einflussfaktoren eine Rolle spielen. Daher wird eine Unterlage benötigt. Anschließend wird das Substrat auf die Scheibe gelegt und anschließend mittels CVD-Technologie epitaktisch abgeschieden. Diese Unterlage ist eine SiC-beschichtete Graphitunterlage (auch als Schale bekannt).
SiC-beschichtete Graphitträger werden häufig zur Unterstützung und Erwärmung von Einkristallsubstraten in Anlagen zur metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) verwendet. Die thermische Stabilität, die thermische Gleichmäßigkeit und andere Leistungsparameter von SiC-beschichteten Graphitträgern spielen eine entscheidende Rolle für die Qualität des epitaktischen Materialwachstums und stellen daher die zentrale Schlüsselkomponente von MOCVD-Anlagen dar.
Die metallorganische Gasphasenabscheidung (MOCVD) ist die gängige Technologie für das epitaktische Wachstum von GaN-Filmen in blauen LEDs. Sie bietet die Vorteile einer einfachen Handhabung, kontrollierbaren Wachstumsrate und hohen Reinheit der GaN-Filme. Als wichtige Komponente in der Reaktionskammer der MOCVD-Anlage muss die für das epitaktische Wachstum des GaN-Films verwendete Lagerbasis hohe Temperaturbeständigkeit, gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit, gute chemische Stabilität und hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Graphitmaterial erfüllt diese Anforderungen.
Als eine der Kernkomponenten von MOCVD-Geräten dient die Graphitbasis als Träger und Heizkörper des Substrats und bestimmt direkt die Gleichmäßigkeit und Reinheit des Filmmaterials. Ihre Qualität wirkt sich daher direkt auf die Herstellung der Epitaxieschicht aus. Gleichzeitig nutzt sie sich mit zunehmender Anzahl von Anwendungen und veränderten Arbeitsbedingungen sehr leicht ab und gehört zu den Verbrauchsmaterialien.
Obwohl Graphit eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Stabilität aufweist, eignet er sich gut als Basiskomponente für MOCVD-Anlagen. Im Produktionsprozess korrodiert Graphit jedoch das Pulver aufgrund von Rückständen korrosiver Gase und metallischer organischer Verbindungen. Dadurch verkürzt sich die Lebensdauer der Graphitbasis erheblich. Gleichzeitig verunreinigt das herabfallende Graphitpulver den Chip.
Die Entwicklung neuer Beschichtungstechnologien ermöglicht die Fixierung von Oberflächenpulver, verbessert die Wärmeleitfähigkeit und gleicht die Wärmeverteilung aus. Sie ist die wichtigste Technologie zur Lösung dieses Problems. Graphitbasierte Oberflächenbeschichtungen in MOCVD-Anlagen müssen die folgenden Eigenschaften erfüllen:
(1) Die Graphitbasis kann vollständig umwickelt werden und die Dichte ist gut, andernfalls kann die Graphitbasis im korrosiven Gas leicht korrodieren.
(2) Die Kombinationsfestigkeit mit der Graphitbasis ist hoch, um sicherzustellen, dass die Beschichtung nach mehreren Hochtemperatur- und Niedertemperaturzyklen nicht leicht abfällt.
(3) Es verfügt über eine gute chemische Stabilität, um ein Versagen der Beschichtung bei hohen Temperaturen und in korrosiver Atmosphäre zu vermeiden.
SiC bietet die Vorteile von Korrosionsbeständigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit, Thermoschockbeständigkeit und hoher chemischer Stabilität und eignet sich gut für die GaN-Epitaxie. Zudem unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient von SiC kaum von dem von Graphit, weshalb SiC das bevorzugte Material für die Oberflächenbeschichtung von Graphitträgern ist.
Derzeit wird SiC hauptsächlich vom Typ 3C, 4H und 6H verwendet. Die Verwendungsmöglichkeiten der verschiedenen Kristalltypen sind unterschiedlich. Beispielsweise eignet sich 4H-SiC zur Herstellung von Hochleistungsbauelementen; 6H-SiC ist am stabilsten und eignet sich zur Herstellung von photoelektrischen Bauelementen. Aufgrund seiner GaN-ähnlichen Struktur eignet sich 3C-SiC zur Herstellung von GaN-Epitaxieschichten und SiC-GaN-HF-Bauelementen. 3C-SiC ist auch als β-SiC bekannt. β-SiC wird häufig als Film- und Beschichtungsmaterial verwendet und ist daher derzeit das wichtigste Beschichtungsmaterial.
Verfahren zur Herstellung einer Siliziumkarbidbeschichtung
Zu den Herstellungsverfahren für SiC-Beschichtungen zählen derzeit hauptsächlich das Gel-Sol-Verfahren, das Einbettungsverfahren, das Pinselbeschichtungsverfahren, das Plasmaspritzverfahren, das chemische Gasreaktionsverfahren (CVR) und das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD).
Einbettungsmethode:
Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Art Hochtemperatur-Festphasensintern. Als Einbettungspulver wird hauptsächlich eine Mischung aus Si- und C-Pulver verwendet. Die Graphitmatrix wird in das Einbettungspulver eingebracht und das Hochtemperatursintern unter Schutzgas durchgeführt. Schließlich entsteht auf der Oberfläche der Graphitmatrix eine SiC-Beschichtung. Das Verfahren ist einfach und die Verbindung zwischen Beschichtung und Substrat ist gut. Allerdings ist die Gleichmäßigkeit der Beschichtung entlang der Dicke unzureichend, was leicht zur Bildung weiterer Löcher und einer schlechten Oxidationsbeständigkeit führt.
Pinselauftragsverfahren:
Beim Bürstenbeschichtungsverfahren wird der flüssige Rohstoff hauptsächlich auf die Oberfläche der Graphitmatrix gebürstet und anschließend bei einer bestimmten Temperatur ausgehärtet, um die Beschichtung herzustellen. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig, jedoch ist die durch das Bürstenbeschichtungsverfahren hergestellte Beschichtung in Kombination mit dem Substrat schwach, weist eine schlechte Gleichmäßigkeit der Beschichtung auf, ist dünn und weist eine geringe Oxidationsbeständigkeit auf, sodass zusätzliche Verfahren zur Unterstützung erforderlich sind.
Plasmaspritzverfahren:
Beim Plasmaspritzen werden geschmolzene oder halbgeschmolzene Rohstoffe mit einer Plasmakanone auf die Oberfläche der Graphitmatrix gesprüht. Anschließend verfestigen sie sich und verbinden sich zu einer Beschichtung. Das Verfahren ist einfach anzuwenden und ermöglicht die Herstellung einer relativ dichten Siliziumkarbidbeschichtung. Allerdings ist die so hergestellte Siliziumkarbidbeschichtung oft zu schwach und weist eine geringe Oxidationsbeständigkeit auf. Daher wird es üblicherweise zur Herstellung von SiC-Verbundbeschichtungen verwendet, um die Qualität der Beschichtung zu verbessern.
Gel-Sol-Methode:
Bei der Gel-Sol-Methode wird hauptsächlich eine gleichmäßige und transparente Sol-Lösung hergestellt, die die Oberfläche der Matrix bedeckt, zu einem Gel trocknet und anschließend gesintert wird, um eine Beschichtung zu erhalten. Diese Methode ist einfach anzuwenden und kostengünstig, weist jedoch einige Nachteile auf, wie z. B. eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit und leichte Rissbildung, sodass sie nicht allgemein anwendbar ist.
Chemische Gasreaktion (CVR):
CVR erzeugt SiC-Beschichtungen hauptsächlich durch die Verwendung von Si- und SiO₂-Pulver, um bei hohen Temperaturen SiO₂-Dampf zu erzeugen. Auf der Oberfläche des C-Materialsubstrats finden eine Reihe chemischer Reaktionen statt. Die mit dieser Methode hergestellte SiC-Beschichtung ist eng mit dem Substrat verbunden, die Reaktionstemperatur ist jedoch höher und die Kosten sind höher.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):
CVD ist derzeit die gängigste Technologie zur Herstellung von SiC-Beschichtungen auf Substratoberflächen. Der Hauptprozess besteht aus einer Reihe physikalischer und chemischer Reaktionen von gasförmigen Reaktanten auf der Substratoberfläche. Anschließend wird die SiC-Beschichtung durch Abscheidung auf der Substratoberfläche hergestellt. Die mittels CVD-Technologie hergestellte SiC-Beschichtung haftet eng an der Substratoberfläche, wodurch die Oxidations- und Ablationsbeständigkeit des Substratmaterials effektiv verbessert werden kann. Allerdings ist die Abscheidungszeit bei diesem Verfahren länger, und das Reaktionsgas enthält giftige Gase.
Die Marktsituation von SiC-beschichteten Graphitbasis
Als ausländische Hersteller früh einstiegen, hatten sie einen klaren Vorsprung und einen hohen Marktanteil. Die wichtigsten internationalen Anbieter von SiC-beschichteter Graphitbasis sind das niederländische Unternehmen Xycard, die deutsche SGL Carbon (SGL), das japanische Unternehmen Toyo Carbon, das US-amerikanische Unternehmen MEMC und andere, die den internationalen Markt im Wesentlichen beherrschen. Obwohl China die Schlüsseltechnologie des gleichmäßigen Wachstums einer SiC-Beschichtung auf der Oberfläche einer Graphitmatrix durchbrochen hat, ist eine hochwertige Graphitmatrix immer noch auf die deutschen Unternehmen SGL, Toyo Carbon aus Japan und andere angewiesen. Die von inländischen Unternehmen bereitgestellte Graphitmatrix beeinträchtigt die Lebensdauer aufgrund von Wärmeleitfähigkeit, Elastizitätsmodul, Steifheitsmodul, Gitterdefekten und anderen Qualitätsproblemen. Die MOCVD-Ausrüstung kann die Anforderungen für die Verwendung einer SiC-beschichteten Graphitbasis nicht erfüllen.
Die chinesische Halbleiterindustrie entwickelt sich rasant. Mit der zunehmenden Verbreitung epitaktischer MOCVD-Anlagen und der Ausweitung weiterer Prozessanwendungen wird der Markt für SiC-beschichtete Graphitbasisprodukte voraussichtlich stark wachsen. Vorläufigen Branchenschätzungen zufolge wird der inländische Markt für Graphitbasisprodukte in den nächsten Jahren 500 Millionen Yuan überschreiten.
SiC-beschichtete Graphitbasis ist die Kernkomponente von Anlagen zur Industrialisierung von Verbindungshalbleitern. Die Beherrschung der Kerntechnologie ihrer Produktion und Fertigung sowie die Lokalisierung der gesamten Rohstoff-, Prozess- und Anlagenkette sind für die Entwicklung der chinesischen Halbleiterindustrie von großer strategischer Bedeutung. Der Bereich der inländischen SiC-beschichteten Graphitbasis boomt, und die Produktqualität könnte bald internationales Spitzenniveau erreichen.
Veröffentlichungszeit: 24. Juli 2023