Οι βάσεις γραφίτη με επικάλυψη SiC χρησιμοποιούνται συνήθως για την υποστήριξη και τη θέρμανση μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων σε εξοπλισμό εναπόθεσης μεταλλικών οργανικών ατμών (MOCVD). Η θερμική σταθερότητα, η θερμική ομοιομορφία και άλλες παράμετροι απόδοσης της βάσης γραφίτη με επικάλυψη SiC παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ποιότητα της επιταξιακής ανάπτυξης υλικού, επομένως αποτελεί το βασικό συστατικό του εξοπλισμού MOCVD.
Κατά τη διαδικασία κατασκευής πλακιδίων (wafer), επιταξιακά στρώματα κατασκευάζονται περαιτέρω σε ορισμένα υποστρώματα πλακιδίων για να διευκολυνθεί η κατασκευή συσκευών. Οι τυπικές συσκευές εκπομπής φωτός LED πρέπει να προετοιμάζουν επιταξιακά στρώματα GaAs σε υποστρώματα πυριτίου. Το επιταξιακό στρώμα SiC αναπτύσσεται στο αγώγιμο υπόστρωμα SiC για την κατασκευή συσκευών όπως SBD, MOSFET κ.λπ., για εφαρμογές υψηλής τάσης, υψηλού ρεύματος και άλλες εφαρμογές ισχύος. Το επιταξιακό στρώμα GaN κατασκευάζεται σε ημιμονωμένο υπόστρωμα SiC για την περαιτέρω κατασκευή HEMT και άλλων συσκευών για εφαρμογές RF, όπως η επικοινωνία. Αυτή η διαδικασία είναι αδιαχώριστη από τον εξοπλισμό CVD.
Στον εξοπλισμό CVD, το υπόστρωμα δεν μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας στο μέταλλο ή απλώς να τοποθετηθεί σε μια βάση για επιταξιακή εναπόθεση, επειδή περιλαμβάνει τη ροή αερίου (οριζόντια, κάθετη), τη θερμοκρασία, την πίεση, τη στερέωση, την αποβολή ρύπων και άλλες πτυχές των παραγόντων επιρροής. Επομένως, απαιτείται μια βάση και στη συνέχεια το υπόστρωμα τοποθετείται στον δίσκο και στη συνέχεια η επιταξιακή εναπόθεση πραγματοποιείται στο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας τεχνολογία CVD και αυτή η βάση είναι η βάση γραφίτη με επικάλυψη SiC (γνωστή και ως δίσκος).
Οι βάσεις γραφίτη με επικάλυψη SiC χρησιμοποιούνται συνήθως για την υποστήριξη και τη θέρμανση μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων σε εξοπλισμό εναπόθεσης μεταλλικών οργανικών ατμών (MOCVD). Η θερμική σταθερότητα, η θερμική ομοιομορφία και άλλες παράμετροι απόδοσης της βάσης γραφίτη με επικάλυψη SiC παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ποιότητα της επιταξιακής ανάπτυξης υλικού, επομένως αποτελεί το βασικό συστατικό του εξοπλισμού MOCVD.
Η εναπόθεση μεταλλο-οργανικών χημικών ατμών (MOCVD) είναι η κύρια τεχνολογία για την επιταξιακή ανάπτυξη μεμβρανών GaN σε μπλε LED. Έχει τα πλεονεκτήματα της απλής λειτουργίας, του ελεγχόμενου ρυθμού ανάπτυξης και της υψηλής καθαρότητας μεμβρανών GaN. Ως σημαντικό συστατικό στον θάλαμο αντίδρασης του εξοπλισμού MOCVD, η βάση ρουλεμάν που χρησιμοποιείται για την επιταξιακή ανάπτυξη μεμβρανών GaN πρέπει να έχει τα πλεονεκτήματα της αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία, της ομοιόμορφης θερμικής αγωγιμότητας, της καλής χημικής σταθερότητας, της ισχυρής αντοχής σε θερμικό σοκ κ.λπ. Το υλικό γραφίτη μπορεί να πληροί τις παραπάνω προϋποθέσεις.
Ως ένα από τα βασικά συστατικά του εξοπλισμού MOCVD, η βάση γραφίτη είναι ο φορέας και το θερμαντικό σώμα του υποστρώματος, το οποίο καθορίζει άμεσα την ομοιομορφία και την καθαρότητα του υλικού φιλμ, επομένως η ποιότητά της επηρεάζει άμεσα την προετοιμασία του επιταξιακού φύλλου και ταυτόχρονα, με την αύξηση του αριθμού των χρήσεων και την αλλαγή των συνθηκών εργασίας, είναι πολύ εύκολο να φορεθεί, που ανήκει στα αναλώσιμα.
Αν και ο γραφίτης έχει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και σταθερότητα, έχει ένα καλό πλεονέκτημα ως βασικό συστατικό του εξοπλισμού MOCVD, αλλά κατά τη διαδικασία παραγωγής, ο γραφίτης θα διαβρώσει τη σκόνη λόγω των υπολειμμάτων διαβρωτικών αερίων και μεταλλικών οργανικών ουσιών, και η διάρκεια ζωής της βάσης γραφίτη θα μειωθεί σημαντικά. Ταυτόχρονα, η πτώση της σκόνης γραφίτη θα προκαλέσει ρύπανση στο τσιπ.
Η εμφάνιση της τεχνολογίας επίστρωσης μπορεί να προσφέρει στερέωση επιφανειακής σκόνης, να ενισχύσει τη θερμική αγωγιμότητα και να εξισορροπήσει την κατανομή θερμότητας, η οποία έχει γίνει η κύρια τεχνολογία για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Η βάση γραφίτη στο περιβάλλον χρήσης εξοπλισμού MOCVD, η επιφανειακή επίστρωση βάσης γραφίτη πρέπει να πληροί τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
(1) Η βάση γραφίτη μπορεί να τυλιχτεί πλήρως και η πυκνότητα είναι καλή, διαφορετικά η βάση γραφίτη είναι εύκολο να διαβρωθεί στο διαβρωτικό αέριο.
(2) Η αντοχή του συνδυασμού με τη βάση γραφίτη είναι υψηλή για να διασφαλιστεί ότι η επίστρωση δεν θα πέσει εύκολα μετά από αρκετούς κύκλους υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας.
(3) Έχει καλή χημική σταθερότητα για να αποφύγει την αστοχία της επίστρωσης σε υψηλή θερμοκρασία και διαβρωτική ατμόσφαιρα.
Το SiC έχει τα πλεονεκτήματα της αντοχής στη διάβρωση, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της αντοχής σε θερμικά σοκ και της υψηλής χημικής σταθερότητας, και μπορεί να λειτουργήσει καλά σε επιταξιακή ατμόσφαιρα GaN. Επιπλέον, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του SiC διαφέρει ελάχιστα από αυτόν του γραφίτη, επομένως το SiC είναι το προτιμώμενο υλικό για την επιφανειακή επίστρωση βάσης γραφίτη.
Προς το παρόν, το κοινό SiC είναι κυρίως τύπου 3C, 4H και 6H, και οι χρήσεις του SiC σε διαφορετικούς τύπους κρυστάλλων είναι διαφορετικές. Για παράδειγμα, το 4H-SiC μπορεί να κατασκευάσει συσκευές υψηλής ισχύος. Το 6H-SiC είναι το πιο σταθερό και μπορεί να κατασκευάσει φωτοηλεκτρικές συσκευές. Λόγω της παρόμοιας δομής του με το GaN, το 3C-SiC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή επιταξιακής στρώσης GaN και την κατασκευή συσκευών SiC-GaN RF. Το 3C-SiC είναι επίσης γνωστό ως β-SiC, και μια σημαντική χρήση του β-SiC είναι ως υλικό μεμβράνης και επικάλυψης, επομένως το β-SiC είναι επί του παρόντος το κύριο υλικό για επικάλυψη.
Μέθοδος παρασκευής επικάλυψης καρβιδίου του πυριτίου
Προς το παρόν, οι μέθοδοι παρασκευής επικάλυψης SiC περιλαμβάνουν κυρίως τη μέθοδο gel-sol, τη μέθοδο ενσωμάτωσης, τη μέθοδο επικάλυψης με βούρτσα, τη μέθοδο ψεκασμού πλάσματος, τη μέθοδο χημικής αντίδρασης αερίου (CVR) και τη μέθοδο χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD).
Μέθοδος ενσωμάτωσης:
Η μέθοδος είναι ένα είδος υψηλής θερμοκρασίας στερεάς φάσης σύντηξης, η οποία χρησιμοποιεί κυρίως το μείγμα σκόνης Si και σκόνης C ως σκόνη ενσωμάτωσης, η μήτρα γραφίτη τοποθετείται στη σκόνη ενσωμάτωσης και η σύντηξη υψηλής θερμοκρασίας πραγματοποιείται στο αδρανές αέριο και τέλος η επίστρωση SiC λαμβάνεται στην επιφάνεια της μήτρας γραφίτη. Η διαδικασία είναι απλή και ο συνδυασμός μεταξύ της επίστρωσης και του υποστρώματος είναι καλός, αλλά η ομοιομορφία της επίστρωσης κατά μήκος της κατεύθυνσης του πάχους είναι κακή, γεγονός που είναι εύκολο να δημιουργήσει περισσότερες οπές και να οδηγήσει σε κακή αντοχή στην οξείδωση.
Μέθοδος επίστρωσης με βούρτσα:
Η μέθοδος επίστρωσης με βούρτσα είναι κυρίως η επάλειψη της υγρής πρώτης ύλης με βούρτσα στην επιφάνεια της γραφιτικής μήτρας και στη συνέχεια η σκλήρυνση της πρώτης ύλης σε μια ορισμένη θερμοκρασία για την προετοιμασία της επίστρωσης. Η διαδικασία είναι απλή και το κόστος χαμηλό, αλλά η επίστρωση που παρασκευάζεται με τη μέθοδο επίστρωσης με βούρτσα είναι ασθενής σε συνδυασμό με το υπόστρωμα, η ομοιομορφία της επίστρωσης είναι κακή, η επίστρωση είναι λεπτή και η αντοχή στην οξείδωση είναι χαμηλή, και απαιτούνται άλλες μέθοδοι για να την βοηθήσουν.
Μέθοδος ψεκασμού πλάσματος:
Η μέθοδος ψεκασμού πλάσματος συνίσταται κυρίως στον ψεκασμό τηγμένων ή ημι-τηγμένων πρώτων υλών στην επιφάνεια της γραφιτικής μήτρας με ένα πιστόλι πλάσματος και στη συνέχεια στη στερεοποίηση και συγκόλληση για να σχηματιστεί μια επίστρωση. Η μέθοδος είναι απλή στη λειτουργία και μπορεί να παρασκευάσει μια σχετικά πυκνή επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου, αλλά η επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου που παρασκευάζεται με τη μέθοδο είναι συχνά πολύ αδύναμη και οδηγεί σε ασθενή αντοχή στην οξείδωση, επομένως χρησιμοποιείται γενικά για την παρασκευή σύνθετης επίστρωσης SiC για τη βελτίωση της ποιότητας της επίστρωσης.
Μέθοδος gel-sol:
Η μέθοδος gel-sol συνίσταται κυρίως στην παρασκευή ενός ομοιόμορφου και διαφανούς διαλύματος sol που καλύπτει την επιφάνεια της μήτρας, ξηραίνεται σε ένα gel και στη συνέχεια πυροσυσσωματώνεται για να ληφθεί μια επικάλυψη. Αυτή η μέθοδος είναι απλή στη λειτουργία και χαμηλού κόστους, αλλά η επικάλυψη που παράγεται έχει ορισμένα μειονεκτήματα, όπως χαμηλή αντοχή σε θερμικό σοκ και εύκολη ρωγμάτωση, επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως.
Χημική αντίδραση αερίου (CVR):
Το CVR παράγει κυρίως επίστρωση SiC χρησιμοποιώντας σκόνη Si και SiO2 για την παραγωγή ατμού SiO σε υψηλή θερμοκρασία και μια σειρά χημικών αντιδράσεων λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια του υποστρώματος υλικού C. Η επίστρωση SiC που παρασκευάζεται με αυτή τη μέθοδο συνδέεται στενά με το υπόστρωμα, αλλά η θερμοκρασία αντίδρασης είναι υψηλότερη και το κόστος είναι υψηλότερο.
Χημική εναπόθεση ατμών (CVD):
Προς το παρόν, η CVD είναι η κύρια τεχνολογία για την παρασκευή επικάλυψης SiC στην επιφάνεια του υποστρώματος. Η κύρια διαδικασία είναι μια σειρά φυσικών και χημικών αντιδράσεων του αντιδρώντος υλικού αέριας φάσης στην επιφάνεια του υποστρώματος και, τέλος, η επικάλυψη SiC παρασκευάζεται με εναπόθεση στην επιφάνεια του υποστρώματος. Η επικάλυψη SiC που παρασκευάζεται με τεχνολογία CVD συνδέεται στενά με την επιφάνεια του υποστρώματος, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την αντοχή στην οξείδωση και την αντοχή στην αφαίρεση του υλικού του υποστρώματος, αλλά ο χρόνος εναπόθεσης αυτής της μεθόδου είναι μεγαλύτερος και το αέριο αντίδρασης έχει ένα ορισμένο τοξικό αέριο.
Η κατάσταση της αγοράς της βάσης γραφίτη με επικάλυψη SiC
Όταν οι ξένοι κατασκευαστές ξεκίνησαν νωρίς, είχαν σαφές προβάδισμα και υψηλό μερίδιο αγοράς. Διεθνώς, οι κύριοι προμηθευτές βάσης γραφίτη με επικάλυψη SiC είναι η ολλανδική Xycard, η γερμανική SGL Carbon (SGL), η ιαπωνική Toyo Carbon, η αμερικανική MEMC και άλλες εταιρείες, οι οποίες κατέχουν ουσιαστικά τη διεθνή αγορά. Παρόλο που η Κίνα έχει διεισδύσει στην βασική τεχνολογία της ομοιόμορφης ανάπτυξης της επικάλυψης SiC στην επιφάνεια της μήτρας γραφίτη, η υψηλής ποιότητας μήτρα γραφίτη εξακολουθεί να βασίζεται στη γερμανική SGL, την ιαπωνική Toyo Carbon και άλλες επιχειρήσεις, η μήτρα γραφίτη που παρέχεται από τις εγχώριες επιχειρήσεις επηρεάζει τη διάρκεια ζωής λόγω της θερμικής αγωγιμότητας, του μέτρου ελαστικότητας, του μέτρου ακαμψίας, των ελαττωμάτων πλέγματος και άλλων προβλημάτων ποιότητας. Ο εξοπλισμός MOCVD δεν μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της χρήσης βάσης γραφίτη με επικάλυψη SiC.
Η βιομηχανία ημιαγωγών της Κίνας αναπτύσσεται ραγδαία. Με τη σταδιακή αύξηση του ρυθμού εντοπισμού επιταξιακού εξοπλισμού MOCVD και την επέκταση άλλων εφαρμογών διεργασιών, η μελλοντική αγορά προϊόντων βάσης γραφίτη με επικάλυψη SiC αναμένεται να αναπτυχθεί ραγδαία. Σύμφωνα με προκαταρκτικές εκτιμήσεις του κλάδου, η εγχώρια αγορά βάσης γραφίτη θα ξεπεράσει τα 500 εκατομμύρια γιουάν τα επόμενα χρόνια.
Η βάση γραφίτη με επικάλυψη SiC αποτελεί το βασικό συστατικό του εξοπλισμού βιομηχανοποίησης σύνθετων ημιαγωγών, η δεξιοτεχνία της βασικής τεχνολογίας της παραγωγής και κατασκευής της, καθώς και η πραγματοποίηση του εντοπισμού ολόκληρης της αλυσίδας πρώτων υλών-διαδικασιών-εξοπλισμού της βιομηχανίας, έχουν μεγάλη στρατηγική σημασία για την εξασφάλιση της ανάπτυξης της βιομηχανίας ημιαγωγών της Κίνας. Ο τομέας της εγχώριας βάσης γραφίτη με επικάλυψη SiC γνωρίζει άνθηση και η ποιότητα του προϊόντος μπορεί σύντομα να φτάσει στο διεθνές προηγμένο επίπεδο.
Ώρα δημοσίευσης: 24 Ιουλίου 2023