Las bases de grafito recubiertas de SiC se utilizan comúnmente para soportar y calentar sustratos monocristalinos en equipos de deposición química en fase 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 epitaxial del material, por lo que es el componente clave de los equipos de MOCVD.
En el proceso de fabricación de obleas, se construyen capas epitaxiales sobre algunos sustratos para facilitar la fabricación de dispositivos. Los dispositivos LED emisores de luz típicos requieren la preparación de capas epitaxiales de GaAs sobre sustratos de silicio. La capa epitaxial de SiC se construye sobre el sustrato conductor de SiC para la construcción de dispositivos como SBD, MOSFET, etc., para aplicaciones de alta tensión, alta corriente y otras aplicaciones de potencia. La capa epitaxial de GaN se construye sobre un sustrato de SiC semiaislado para la construcción de HEMT y otros dispositivos para aplicaciones de radiofrecuencia, como las comunicaciones. Este proceso es inseparable de los equipos de CVD.
En los equipos de CVD, el sustrato no puede colocarse directamente sobre el metal ni simplemente sobre una base para la deposición epitaxial, ya que influyen el flujo de gas (horizontal o vertical), la temperatura, la presión, la fijación, la eliminación de contaminantes y otros factores. Por lo tanto, se requiere una base, sobre la cual se coloca el sustrato en el disco, y posteriormente se realiza la deposición epitaxial mediante tecnología CVD. Esta base es la base de grafito recubierta de SiC (también conocida como bandeja).
Las bases de grafito recubiertas de SiC se utilizan comúnmente para soportar y calentar sustratos monocristalinos en equipos de deposición química en fase 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 epitaxial del material, por lo que es el componente clave de los equipos de MOCVD.
La deposición química en fase de vapor metalorgánica (MOCVD) es la tecnología principal para el crecimiento epitaxial de películas de GaN en LED azules. Ofrece las ventajas de una operación sencilla, una velocidad de crecimiento controlable y una alta pureza de las películas de GaN. Como componente importante en la cámara de reacción de los equipos MOCVD, la base de apoyo utilizada para el crecimiento epitaxial de películas de GaN debe ofrecer resistencia a altas temperaturas, conductividad térmica uniforme, buena estabilidad química y alta resistencia al choque térmico, entre otras ventajas. El grafito cumple con estas condiciones.
Como uno de los componentes principales del equipo MOCVD, la base de grafito es el cuerpo portador y calefactor del sustrato, lo que determina directamente la uniformidad y pureza del material de la película, por lo que su calidad afecta directamente 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, es muy fácil de desgastar, perteneciente a los consumibles.
Si bien el grafito posee una excelente conductividad térmica y estabilidad, es una buena ventaja como componente base de los equipos de MOCVD. Sin embargo, durante el proceso de producción, el grafito corroe el polvo debido a los residuos de gases corrosivos y compuestos orgánicos metálicos, lo que reduce considerablemente la vida útil de la base de grafito. Además, la caída de polvo de grafito contamina el chip.
La aparición de la tecnología de recubrimiento permite fijar el polvo superficial, mejorar la conductividad térmica y equilibrar la distribución del calor, lo que se ha convertido en la principal tecnología para resolver este problema. En el entorno de uso de equipos MOCVD, el recubrimiento superficial a base de grafito debe cumplir con las siguientes características:
(1) La base de grafito se puede envolver completamente y la densidad es buena, de lo contrario, la base de grafito se corroe fácilmente en el gas corrosivo.
(2) La resistencia combinada con la base de grafito es alta para garantizar que el revestimiento no se desprenda fácilmente después de varios ciclos de alta y baja temperatura.
(3) Tiene buena estabilidad química para evitar fallas del recubrimiento en altas temperaturas y atmósferas corrosivas.
El SiC ofrece resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica, resistencia al choque térmico y alta estabilidad química, además de funcionar bien en atmósferas epitaxiales de GaN. Además, su coeficiente de expansión térmica difiere muy poco del del grafito, por lo que 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 permite fabricar dispositivos de alta potencia; el 6H-SiC es el más estable y permite fabricar dispositivos fotoeléctricos. Gracias a su estructura similar a la del GaN, el 3C-SiC puede utilizarse para producir capas epitaxiales de GaN y fabricar dispositivos de radiofrecuencia (RF) de SiC-GaN. El 3C-SiC también se conoce comúnmente como β-SiC, y su uso principal es como material de película y recubrimiento, por lo que actualmente es el principal material para recubrimientos.
Método para preparar un recubrimiento de carburo de silicio
En la actualidad, los métodos de preparación del recubrimiento de SiC incluyen principalmente el método de gel-sol, el método de incrustación, el método de recubrimiento por cepillado, el método de pulverización de plasma, el método de reacción química de gas (CVR) y el método de deposición química de vapor (CVD).
Método de incrustación:
Este método es un tipo de sinterización en fase sólida a alta temperatura que utiliza principalmente una mezcla de polvo de Si y polvo de C como polvo de incrustación. La matriz de grafito se coloca en el polvo de incrustación y la sinterización a alta temperatura se lleva a cabo en un gas inerte. Finalmente, se obtiene un recubrimiento de SiC sobre la superficie de la matriz de grafito. El proceso es simple y la combinación entre el recubrimiento y el sustrato es buena, pero la uniformidad del recubrimiento a lo largo del espesor es deficiente, lo que facilita la formación de más agujeros y reduce la resistencia a la oxidación.
Método de recubrimiento con cepillo:
El método de recubrimiento con brocha consiste principalmente en aplicar la materia prima líquida sobre la superficie de la matriz de grafito y luego curarla a una temperatura determinada para preparar el recubrimiento. El proceso es simple y económico, pero el recubrimiento preparado con brocha presenta deficiencias en relación con el sustrato, baja uniformidad, espesor y baja resistencia a la oxidación, por lo que se requieren otros métodos.
Método de pulverización de plasma:
El método de pulverización 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 para formar un recubrimiento. Este método es sencillo y permite obtener un recubrimiento de carburo de silicio relativamente denso. Sin embargo, este recubrimiento suele ser demasiado débil y presenta una baja resistencia a la oxidación. Por ello, se utiliza generalmente para la preparación de recubrimientos compuestos de SiC y así mejorar su calidad.
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, se seque hasta formar un gel y luego se sinterice para obtener un recubrimiento. Este método es sencillo de operar y económico, pero el recubrimiento resultante presenta algunas deficiencias, como baja resistencia al choque térmico y fácil agrietamiento, por lo que no es ampliamente utilizado.
Reacción química de gas (CVR):
El CVR genera principalmente un recubrimiento de SiC mediante el uso de polvo de Si y SiO₂ para generar vapor de SiO a alta temperatura. En este proceso, se producen una serie de reacciones químicas en la superficie del sustrato de material C. El recubrimiento de SiC preparado mediante este método se adhiere firmemente al sustrato, pero la temperatura de reacción es mayor y el costo también.
Deposición química de vapor (CVD):
Actualmente, la CVD es la principal tecnología para la preparación de recubrimientos de SiC sobre la superficie del sustrato. El proceso principal consiste en una serie de reacciones físicas y químicas del material reactivo en fase gaseosa sobre la superficie del sustrato, y finalmente, el recubrimiento de SiC se prepara por deposición sobre la superficie del sustrato. El recubrimiento de SiC preparado mediante CVD se adhiere firmemente a la superficie del sustrato, lo que mejora eficazmente la resistencia a la oxidación y la ablación del material del sustrato. Sin embargo, el tiempo de deposición de este método es mayor y el gas de reacción contiene ciertos gases tóxicos.
La situación del mercado de las bases de grafito recubiertas de SiC
Cuando los fabricantes extranjeros se iniciaron en el mercado, tenían una clara ventaja y una alta cuota de mercado. A nivel internacional, los principales proveedores de bases de grafito recubiertas de SiC son Xycard (holandesa), SGL Carbon (alemana), Toyo Carbon (japonesa), MEMC (estadounidense) y otras empresas, que dominan el mercado internacional. Si bien China ha avanzado en la tecnología clave de crecimiento uniforme del recubrimiento de SiC sobre la superficie de la matriz de grafito, la matriz de grafito de alta calidad aún depende de SGL (alemana), Toyo Carbon (japonesa) y otras empresas. La matriz de grafito suministrada por empresas nacionales afecta la vida útil debido a problemas de conductividad térmica, módulo elástico, módulo rígido, defectos de red y otros problemas de calidad. El equipo MOCVD no cumple con los requisitos para el uso de bases de grafito recubiertas de SiC.
La industria china de semiconductores se está desarrollando rápidamente. Con el aumento gradual de la tasa de localización de equipos epitaxiales MOCVD y la expansión de otras aplicaciones de proceso, se prevé un rápido crecimiento del mercado de productos de base de grafito recubiertos de SiC. 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 de industrialización de semiconductores compuestos. Dominar la tecnología clave de su producción y fabricación, y lograr la localización de toda la cadena industrial de materias primas, procesos y equipos, es de gran importancia estratégica para asegurar el desarrollo de la industria de semiconductores de China. El sector nacional de la base de grafito recubierta de SiC está en auge, y la calidad del producto pronto alcanzará el nivel internacional avanzado.
Hora de publicación: 24 de julio de 2023