قطعات نیمه هادی - پایه گرافیتی روکش شده با SiC

پایه‌های گرافیتی روکش‌شده با SiC معمولاً برای پشتیبانی و گرم کردن زیرلایه‌های تک کریستالی در تجهیزات رسوب بخار شیمیایی فلز-آلی (MOCVD) استفاده می‌شوند. پایداری حرارتی، یکنواختی حرارتی و سایر پارامترهای عملکرد پایه گرافیتی روکش‌شده با SiC نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت رشد مواد اپیتاکسیال دارند، بنابراین جزء اصلی و کلیدی تجهیزات MOCVD است.

در فرآیند ساخت ویفر، لایه‌های اپیتاکسیال بیشتر روی برخی از زیرلایه‌های ویفر ساخته می‌شوند تا ساخت دستگاه‌ها را تسهیل کنند. دستگاه‌های ساطع‌کننده نور LED معمولی نیاز به تهیه لایه‌های اپیتاکسیال GaAs روی زیرلایه‌های سیلیکونی دارند. لایه اپیتاکسیال SiC برای ساخت دستگاه‌هایی مانند SBD، MOSFET و غیره برای ولتاژ بالا، جریان بالا و سایر کاربردهای توان، روی زیرلایه SiC رسانا رشد داده می‌شود. لایه اپیتاکسیال GaN روی زیرلایه SiC نیمه عایق ساخته می‌شود تا HEMT و سایر دستگاه‌ها را برای کاربردهای RF مانند ارتباطات بیشتر بسازد. این فرآیند از تجهیزات CVD جدایی‌ناپذیر است.

در تجهیزات CVD، زیرلایه را نمی‌توان مستقیماً روی فلز قرار داد یا به سادگی برای رسوب اپیتاکسیال روی یک پایه قرار داد، زیرا این امر شامل جریان گاز (افقی، عمودی)، دما، فشار، تثبیت، ریزش آلاینده‌ها و سایر جنبه‌های عوامل تأثیرگذار است. بنابراین، به یک پایه نیاز است و سپس زیرلایه روی دیسک قرار می‌گیرد و سپس رسوب اپیتاکسیال با استفاده از فناوری CVD روی زیرلایه انجام می‌شود و این پایه، پایه گرافیتی پوشش داده شده با SiC (که به عنوان سینی نیز شناخته می‌شود) است.

پایه‌های گرافیتی روکش‌شده با SiC معمولاً برای پشتیبانی و گرم کردن زیرلایه‌های تک کریستالی در تجهیزات رسوب بخار شیمیایی فلز-آلی (MOCVD) استفاده می‌شوند. پایداری حرارتی، یکنواختی حرارتی و سایر پارامترهای عملکرد پایه گرافیتی روکش‌شده با SiC نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت رشد مواد اپیتاکسیال دارند، بنابراین جزء اصلی و کلیدی تجهیزات MOCVD است.

رسوب شیمیایی بخار فلز-آلی (MOCVD) فناوری اصلی برای رشد اپیتاکسیال لایه‌های GaN در LED آبی است. این فناوری مزایای عملکرد ساده، سرعت رشد قابل کنترل و خلوص بالای لایه‌های GaN را دارد. به عنوان یک جزء مهم در محفظه واکنش تجهیزات MOCVD، پایه یاتاقان مورد استفاده برای رشد اپیتاکسیال لایه GaN باید مزایای مقاومت در برابر دمای بالا، رسانایی حرارتی یکنواخت، پایداری شیمیایی خوب، مقاومت در برابر شوک حرارتی قوی و غیره را داشته باشد. مواد گرافیتی می‌توانند شرایط فوق را برآورده کنند.

به عنوان یکی از اجزای اصلی تجهیزات MOCVD، پایه گرافیتی حامل و بدنه گرمایشی زیرلایه است که به طور مستقیم یکنواختی و خلوص مواد فیلم را تعیین می‌کند، بنابراین کیفیت آن به طور مستقیم بر تهیه ورق اپیتاکسیال تأثیر می‌گذارد و در عین حال، با افزایش تعداد استفاده‌ها و تغییر شرایط کار، پوشیدن آن بسیار آسان است و جزو مواد مصرفی محسوب می‌شود.

اگرچه گرافیت از رسانایی حرارتی و پایداری عالی برخوردار است، اما به عنوان جزء اصلی تجهیزات MOCVD از مزیت خوبی برخوردار است، اما در فرآیند تولید، گرافیت به دلیل باقی ماندن گازهای خورنده و مواد آلی فلزی، پودر را خورده و عمر مفید پایه گرافیت را به شدت کاهش می‌دهد. در عین حال، ریزش پودر گرافیت باعث آلودگی تراشه می‌شود.

ظهور فناوری پوشش‌دهی می‌تواند تثبیت پودر سطحی، افزایش رسانایی حرارتی و توزیع یکنواخت گرما را فراهم کند که به فناوری اصلی برای حل این مشکل تبدیل شده است. پوشش سطحی پایه گرافیتی در تجهیزات MOCVD باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:

(1) پایه گرافیتی را می‌توان به طور کامل پیچید و چگالی آن خوب است، در غیر این صورت پایه گرافیتی به راحتی در گاز خورنده خورده می‌شود.

(2) استحکام ترکیبی با پایه گرافیتی بالا است تا اطمینان حاصل شود که پوشش پس از چندین چرخه دمای بالا و دمای پایین به راحتی از بین نمی‌رود.

(3) پایداری شیمیایی خوبی دارد تا از خرابی پوشش در دمای بالا و جو خورنده جلوگیری کند.

SiC مزایای مقاومت در برابر خوردگی، رسانایی حرارتی بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی و پایداری شیمیایی بالا را دارد و می‌تواند در اتمسفر اپیتاکسیال GaN به خوبی کار کند. علاوه بر این، ضریب انبساط حرارتی SiC با گرافیت تفاوت بسیار کمی دارد، بنابراین SiC ماده ترجیحی برای پوشش سطح پایه گرافیت است.

در حال حاضر، SiC رایج عمدتاً از نوع 3C، 4H و 6H است و کاربردهای SiC در انواع مختلف کریستال متفاوت است. به عنوان مثال، 4H-SiC می‌تواند دستگاه‌های پرقدرت تولید کند؛ 6H-SiC پایدارترین است و می‌تواند دستگاه‌های فوتوالکتریک تولید کند؛ به دلیل ساختار مشابه آن با GaN، 3C-SiC می‌تواند برای تولید لایه اپیتکسیال GaN و ساخت دستگاه‌های RF SiC-GaN استفاده شود. 3C-SiC همچنین معمولاً با نام β-SiC شناخته می‌شود و یکی از کاربردهای مهم β-SiC به عنوان ماده فیلم و پوشش است، بنابراین β-SiC در حال حاضر ماده اصلی برای پوشش است.

روش تهیه پوشش کاربید سیلیکون

در حال حاضر، روش‌های آماده‌سازی پوشش SiC عمدتاً شامل روش ژل-سل، روش جاسازی، روش پوشش‌دهی با قلم‌مو، روش پاشش پلاسما، روش واکنش گاز شیمیایی (CVR) و روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) است.

روش جاسازی:

این روش نوعی تف‌جوشی فاز جامد با دمای بالا است که عمدتاً از مخلوط پودر Si و پودر C به عنوان پودر جاسازی استفاده می‌کند، ماتریس گرافیت در پودر جاسازی قرار می‌گیرد و تف‌جوشی دمای بالا در گاز بی‌اثر انجام می‌شود و در نهایت پوشش SiC روی سطح ماتریس گرافیت به دست می‌آید. این فرآیند ساده است و ترکیب بین پوشش و زیرلایه خوب است، اما یکنواختی پوشش در امتداد جهت ضخامت ضعیف است که به راحتی باعث ایجاد سوراخ‌های بیشتر و در نتیجه مقاومت در برابر اکسیداسیون ضعیف می‌شود.

روش پوشش‌دهی با قلم‌مو:

روش پوشش‌دهی با قلم‌مو عمدتاً شامل برس زدن ماده اولیه مایع روی سطح ماتریس گرافیت و سپس پخت ماده اولیه در دمای معین برای آماده‌سازی پوشش است. این فرآیند ساده و کم‌هزینه است، اما پوشش تهیه‌شده با روش پوشش‌دهی با قلم‌مو در ترکیب با زیرلایه ضعیف است، یکنواختی پوشش ضعیف است، پوشش نازک و مقاومت در برابر اکسیداسیون کم است و روش‌های دیگری برای کمک به آن مورد نیاز است.

روش پاشش پلاسما:

روش پاشش پلاسما عمدتاً شامل پاشش مواد خام ذوب شده یا نیمه ذوب شده روی سطح ماتریس گرافیت با تفنگ پلاسما و سپس جامد کردن و اتصال برای تشکیل پوشش است. این روش کار ساده‌ای دارد و می‌تواند یک پوشش کاربید سیلیکون نسبتاً متراکم تهیه کند، اما پوشش کاربید سیلیکون تهیه شده با این روش اغلب بسیار ضعیف است و منجر به مقاومت در برابر اکسیداسیون ضعیف می‌شود، بنابراین معمولاً برای تهیه پوشش کامپوزیتی SiC برای بهبود کیفیت پوشش استفاده می‌شود.

روش ژل-سل:

روش ژل-سل عمدتاً برای تهیه یک محلول سل یکنواخت و شفاف است که سطح ماتریس را می‌پوشاند، خشک می‌شود و به ژل تبدیل می‌شود و سپس برای به دست آوردن پوشش، تفجوشی می‌شود. این روش ساده و کم‌هزینه است، اما پوشش تولید شده دارای برخی کاستی‌ها مانند مقاومت در برابر شوک حرارتی پایین و ترک خوردن آسان است، بنابراین نمی‌توان از آن به طور گسترده استفاده کرد.

واکنش شیمیایی گاز (CVR):

CVR عمدتاً پوشش SiC را با استفاده از پودر Si و SiO2 برای تولید بخار SiO در دمای بالا ایجاد می‌کند و یک سری واکنش‌های شیمیایی روی سطح زیرلایه ماده C رخ می‌دهد. پوشش SiC تهیه شده با این روش به طور محکم به زیرلایه متصل می‌شود، اما دمای واکنش بالاتر و هزینه آن بالاتر است.

رسوب بخار شیمیایی (CVD):

در حال حاضر، CVD فناوری اصلی برای تهیه پوشش SiC روی سطح زیرلایه است. فرآیند اصلی شامل یک سری واکنش‌های فیزیکی و شیمیایی مواد واکنش‌دهنده فاز گازی روی سطح زیرلایه است و در نهایت پوشش SiC با رسوب‌گذاری روی سطح زیرلایه تهیه می‌شود. پوشش SiC تهیه‌شده با فناوری CVD به سطح زیرلایه پیوند محکمی دارد که می‌تواند مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت سایشی ماده زیرلایه را به طور مؤثر بهبود بخشد، اما زمان رسوب‌گذاری در این روش طولانی‌تر است و گاز واکنش دارای گاز سمی خاصی است.

وضعیت بازار پایه گرافیتی روکش شده با SiC

وقتی تولیدکنندگان خارجی زود شروع به کار کردند، پیشتازی آشکار و سهم بالایی از بازار را در اختیار داشتند. در سطح بین‌المللی، تأمین‌کنندگان اصلی پایه گرافیتی روکش‌شده با SiC عبارتند از Xycard هلندی، SGL Carbon آلمان (SGL)، Toyo Carbon ژاپن، MEMC ایالات متحده و سایر شرکت‌ها که اساساً بازار بین‌المللی را اشغال کرده‌اند. اگرچه چین فناوری اصلی رشد یکنواخت پوشش SiC روی سطح ماتریس گرافیت را پشت سر گذاشته است، ماتریس گرافیتی با کیفیت بالا هنوز به SGL آلمانی، Toyo Carbon ژاپن و سایر شرکت‌ها متکی است. ماتریس گرافیتی ارائه شده توسط شرکت‌های داخلی به دلیل رسانایی حرارتی، مدول الاستیک، مدول سفت و سخت، نقص‌های شبکه و سایر مشکلات کیفی، بر عمر مفید تأثیر می‌گذارد. تجهیزات MOCVD نمی‌توانند الزامات استفاده از پایه گرافیتی روکش‌شده با SiC را برآورده کنند.

صنعت نیمه‌هادی چین به سرعت در حال توسعه است و با افزایش تدریجی نرخ بومی‌سازی تجهیزات اپیتاکسیال MOCVD و گسترش سایر کاربردهای فرآیندی، انتظار می‌رود بازار آینده محصولات پایه گرافیتی با پوشش SiC به سرعت رشد کند. طبق برآوردهای اولیه صنعت، بازار داخلی پایه گرافیت در چند سال آینده از 500 میلیون یوان فراتر خواهد رفت.

پایه گرافیتی روکش‌دار SiC جزء اصلی تجهیزات صنعتی‌سازی نیمه‌هادی‌های مرکب است، تسلط بر فناوری اصلی تولید و ساخت آن و تحقق بومی‌سازی کل زنجیره صنعت مواد اولیه-فرآیند-تجهیزات از اهمیت استراتژیک زیادی برای تضمین توسعه صنعت نیمه‌هادی چین برخوردار است. حوزه پایه گرافیتی روکش‌دار SiC داخلی در حال رونق گرفتن است و کیفیت محصول می‌تواند به زودی به سطح پیشرفته بین‌المللی برسد.