Las bases de grafito recubiertas de SiC se utilizan habitualmente para soportar y calentar sustratos monocristalinos en equipos de deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD). La estabilidad térmica, la uniformidad térmica y otros parámetros de rendimiento de la base de grafito recubierta de SiC desempeñan un papel decisivo en la calidad del crecimiento del material epitaxial, por lo que constituyen un componente clave de los equipos MOCVD.
En el proceso de fabricación de obleas, se depositan capas epitaxiales sobre algunos sustratos para facilitar la fabricación de dispositivos. Los dispositivos LED típicos requieren la preparación de capas epitaxiales de GaAs sobre sustratos de silicio; la capa epitaxial de SiC se cultiva sobre el sustrato conductor de SiC para la fabricación de dispositivos como SBD, MOSFET, etc., para aplicaciones de alta tensión, alta corriente y otras aplicaciones de potencia; la capa epitaxial de GaN se deposita sobre el sustrato semi-aislado de SiC para la fabricación de HEMT y otros dispositivos para aplicaciones de radiofrecuencia, como las comunicaciones. Este proceso es inseparable del equipo CVD.
En el equipo CVD, el sustrato no puede colocarse directamente sobre el metal ni simplemente sobre una base para la deposición epitaxial, ya que intervienen factores como el flujo de gas (horizontal y vertical), la temperatura, la presión, la fijación, la liberación de contaminantes y otros aspectos. Por lo tanto, se requiere una base sobre la cual se coloca el sustrato y, posteriormente, se lleva a cabo la deposición epitaxial mediante la tecnología CVD. Esta base es una base de grafito recubierta de SiC (también conocida como bandeja).
Las bases de grafito recubiertas de SiC se utilizan habitualmente para soportar y calentar sustratos monocristalinos en equipos de deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD). La estabilidad térmica, la uniformidad térmica y otros parámetros de rendimiento de la base de grafito recubierta de SiC desempeñan un papel decisivo en la calidad del crecimiento del material epitaxial, por lo que constituyen un componente clave de los equipos MOCVD.
La deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD) es la tecnología principal para el crecimiento epitaxial de películas de GaN en LED azules. Ofrece ventajas como un funcionamiento sencillo, una velocidad de crecimiento controlable y películas de GaN de alta pureza. Como componente importante en la cámara de reacción del equipo MOCVD, la base de soporte utilizada para el crecimiento epitaxial de la película de GaN debe poseer resistencia a altas temperaturas, conductividad térmica uniforme, buena estabilidad química y alta resistencia al choque térmico. El grafito cumple con estas condiciones.
Como uno de los componentes principales de los equipos MOCVD, la base de grafito es el soporte y el elemento calefactor del sustrato, lo que determina directamente la uniformidad y la pureza del material de la película, por lo que su calidad afecta directamente a la preparación de la lámina epitaxial y, al mismo tiempo, con el aumento del número de usos y el cambio de las condiciones de trabajo, se desgasta con mucha facilidad, por lo que se considera un consumible.
Si bien el grafito posee una excelente conductividad térmica y estabilidad, lo que le confiere una gran ventaja como componente base en equipos MOCVD, durante el proceso de producción, el grafito corroe el polvo debido a los residuos de gases corrosivos y compuestos orgánicos metálicos, reduciendo considerablemente la vida útil de la base de grafito. Asimismo, el polvo de grafito que cae puede contaminar el chip.
La aparición de la tecnología de recubrimiento permite la fijación del polvo superficial, mejora la conductividad térmica y uniformiza la distribución del calor, convirtiéndose así en la principal tecnología para resolver este problema. En el entorno de uso de equipos MOCVD con base de grafito, el recubrimiento superficial de la base de grafito debe cumplir las siguientes características:
(1) La base de grafito puede estar completamente envuelta y la densidad es buena, de lo contrario la base de grafito es fácil de corroer en el gas corrosivo.
(2) La fuerza de combinación con la base de grafito es alta para asegurar que el recubrimiento no se desprenda fácilmente después de varios ciclos de alta y baja temperatura.
(3) Tiene buena estabilidad química para evitar fallas en el recubrimiento en atmósferas corrosivas y de alta temperatura.
El SiC presenta ventajas como resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica, resistencia al choque térmico y alta estabilidad química, y funciona bien en atmósferas epitaxiales de GaN. Además, su coeficiente de dilatación térmica difiere muy poco del del grafito, por lo que el SiC es el material preferido para el recubrimiento superficial de bases de grafito.
Actualmente, el SiC común es principalmente de tipo 3C, 4H y 6H, y sus usos varían según el tipo de cristal. Por ejemplo, el 4H-SiC se puede utilizar para fabricar dispositivos de alta potencia; el 6H-SiC es el más estable y se puede utilizar para fabricar dispositivos fotoeléctricos; debido a su estructura similar al GaN, el 3C-SiC se puede utilizar para producir capas epitaxiales de GaN y fabricar dispositivos de RF de SiC-GaN. El 3C-SiC también se conoce comúnmente como β-SiC, y uno de sus usos más importantes es como material de recubrimiento y película, por lo que actualmente es el material principal para recubrimientos.
Método para preparar recubrimientos de carburo de silicio
Actualmente, los métodos de preparación del recubrimiento de SiC incluyen principalmente el método de gel-sol, el método de incrustación, el método de recubrimiento con brocha, el método de pulverización de plasma, el método de reacción química en gas (CVR) y el método de deposición química en fase vapor (CVD).
Método de incrustación:
El método consiste en una sinterización en fase sólida a alta temperatura, que utiliza principalmente una mezcla de polvo de silicio y polvo de carbono como material de recubrimiento. La matriz de grafito se coloca en este material y la sinterización a alta temperatura se lleva a cabo en una atmósfera inerte, obteniéndose finalmente un recubrimiento de SiC sobre la superficie de la matriz de grafito. El proceso es sencillo y la unión entre el recubrimiento y el sustrato es buena, pero la uniformidad del recubrimiento a lo largo del espesor es deficiente, lo que facilita la aparición de poros y reduce la resistencia a la oxidación.
Método de aplicación con brocha:
El método de recubrimiento con brocha consiste principalmente en aplicar la materia prima líquida sobre la superficie de la matriz de grafito y, posteriormente, curarla a una temperatura determinada para obtener el recubrimiento. Si bien el proceso es sencillo y económico, el recubrimiento resultante presenta una baja adherencia al sustrato, una uniformidad deficiente, un espesor reducido y una baja resistencia a la oxidación, por lo que se requieren otros métodos complementarios.
Método de pulverización de plasma:
El método de proyección de plasma consiste principalmente en pulverizar materias primas fundidas o semifundidas sobre la superficie de la matriz de grafito con una pistola de plasma, para luego solidificarlas y unirlas formando un recubrimiento. Este método es sencillo y permite obtener un recubrimiento de carburo de silicio relativamente denso; sin embargo, el recubrimiento de carburo de silicio obtenido mediante este método suele ser demasiado débil y presenta una baja resistencia a la oxidación. Por ello, generalmente se utiliza para la preparación de recubrimientos compuestos de SiC con el fin de mejorar la calidad del recubrimiento.
Método gel-sol:
El método gel-sol consiste principalmente en preparar una solución de sol uniforme y transparente que cubra la superficie de la matriz, secarla hasta formar un gel y luego sinterizarla para obtener un recubrimiento. Este método es sencillo y económico, pero el recubrimiento resultante presenta algunas desventajas, como baja resistencia al choque térmico y facilidad para agrietarse, por lo que su uso no está generalizado.
Reacción química de gases (CVR):
El proceso CVR genera principalmente recubrimientos de SiC mediante la utilización de polvo de Si y SiO2 para producir vapor de SiO a alta temperatura. En la superficie del sustrato de carbono se producen una serie de reacciones químicas. El recubrimiento de SiC obtenido mediante este método se adhiere firmemente al sustrato, pero la temperatura de reacción es más alta y, por consiguiente, el costo también.
Deposición química en fase vapor (CVD):
Actualmente, la deposición química en fase vapor (CVD) es la principal tecnología para la preparación de recubrimientos de SiC sobre la superficie del sustrato. El proceso consiste en una serie de reacciones físico-químicas de reactivos en fase gaseosa sobre la superficie del sustrato, culminando con la deposición del recubrimiento de SiC. Este recubrimiento se adhiere firmemente a la superficie del sustrato, lo que mejora eficazmente su resistencia a la oxidación y a la abrasión. Sin embargo, el tiempo de deposición es prolongado y el gas de reacción es tóxico.
Situación del mercado de la base de grafito recubierta de SiC
Cuando los fabricantes extranjeros comenzaron temprano, tenían una clara ventaja y una alta cuota de mercado. A nivel internacional, los principales proveedores de base de grafito recubierta de SiC son la holandesa Xycard, la alemana SGL Carbon (SGL), la japonesa Toyo Carbon, la estadounidense MEMC y otras empresas, que básicamente ocupan el mercado internacional. Aunque China ha logrado avances en la tecnología clave del crecimiento uniforme del recubrimiento de SiC en la superficie de la matriz de grafito, la matriz de grafito de alta calidad todavía depende de la alemana SGL, la japonesa Toyo Carbon y otras empresas. La matriz de grafito proporcionada por empresas nacionales afecta la vida útil debido a la conductividad térmica, el módulo elástico, el módulo rígido, los defectos de la red y otros problemas de calidad. El equipo MOCVD no puede cumplir con los requisitos para el uso de la base de grafito recubierta de SiC.
La industria china de semiconductores se está desarrollando rápidamente. Con el aumento gradual de la localización de equipos epitaxiales MOCVD y la expansión de otras aplicaciones de procesos, se espera que el mercado futuro de productos de base de grafito recubiertos de SiC crezca rápidamente. Según estimaciones preliminares de la industria, el mercado nacional de base de grafito superará los 500 millones de yuanes en los próximos años.
La base de grafito recubierta de SiC es el componente principal de los equipos para la industrialización de semiconductores compuestos. Dominar la tecnología clave de su producción y fabricación, así como lograr la localización de toda la cadena de valor (materia prima, proceso y equipo), reviste gran importancia estratégica para garantizar el desarrollo de la industria de semiconductores en China. El sector de la base de grafito recubierta de SiC a nivel nacional está en auge y la calidad del producto pronto alcanzará un nivel avanzado internacional.
Fecha de publicación: 24 de julio de 2023