SiC-päällystettyjä grafiittialustoja käytetään yleisesti yksittäisten kidealustojen tukemiseen ja lämmittämiseen metalli-orgaanisessa kemiallisessa höyrypinnoitusmenetelmässä (MOCVD). SiC-päällystetyn grafiittialustan lämpöstabiilisuus, lämpötasaisuus ja muut suorituskykyparametrit ovat ratkaisevia epitaksiaalisen materiaalin kasvun laadun kannalta, joten se on MOCVD-laitteiden keskeinen osa.
Kiekkojen valmistusprosessissa joillekin kiekkoalustoille rakennetaan edelleen epitaksiaalikerroksia laitteiden valmistuksen helpottamiseksi. Tyypillisissä LED-valoa emittoivissa laitteissa on valmistettava GaAs-epitaksiaalikerroksia piialustoille; piikarbidiepitaksiaalikerros kasvatetaan johtavalle piikarbidi-alustalle SBD- ja MOSFET-tyyppisten laitteiden jne. rakentamiseksi suurjännite-, suurvirta- ja muihin tehosovelluksiin; GaN-epitaksiaalikerros rakennetaan puolieristetylle piikarbidi-alustalle HEMT- ja muiden RF-sovellusten, kuten tietoliikenteen, laitteiden edelleen rakentamiseksi. Tämä prosessi on erottamaton CVD-laitteista.
CVD-laitteessa substraattia ei voida asettaa suoraan metallille tai yksinkertaisesti alustalle epitaksiaalista pinnoitusta varten, koska siihen liittyy kaasun virtaus (vaakasuora, pystysuora), lämpötila, paine, kiinnitys, epäpuhtauksien irtoaminen ja muut vaikuttavat tekijät. Siksi tarvitaan alusta, joka sitten asetetaan kiekolle ja epitaksiaalinen pinnoitus suoritetaan alustalle CVD-tekniikalla, ja tämä alusta on piikarbidipinnoitettu grafiittialusta (tunnetaan myös nimellä alusta).
SiC-päällystettyjä grafiittialustoja käytetään yleisesti yksittäisten kidealustojen tukemiseen ja lämmittämiseen metalli-orgaanisessa kemiallisessa höyrypinnoitusmenetelmässä (MOCVD). SiC-päällystetyn grafiittialustan lämpöstabiilisuus, lämpötasaisuus ja muut suorituskykyparametrit ovat ratkaisevia epitaksiaalisen materiaalin kasvun laadun kannalta, joten se on MOCVD-laitteiden keskeinen osa.
Metalli-orgaaninen kemiallinen höyrypinnoitus (MOCVD) on valtavirtatekniikka GaN-kalvojen epitaksiaaliseen kasvatukseen sinisissä LEDeissä. Sen etuna on yksinkertainen käyttö, hallittava kasvunopeus ja GaN-kalvojen korkea puhtaus. MOCVD-laitteiden reaktiokammion tärkeänä komponenttina GaN-kalvon epitaksiaaliseen kasvatukseen käytettävän laakerialustan on oltava kestävä korkean lämpötilan, tasaisen lämmönjohtavuuden, hyvän kemiallisen stabiilisuuden ja vahvan lämmönshokin kestävyyden ansiota. Grafiittimateriaali voi täyttää edellä mainitut ehdot.
Yhtenä MOCVD-laitteiden ydinkomponenttina grafiittipohja toimii substraatin kantajana ja lämmityselementtinä, mikä määrää suoraan kalvomateriaalin tasaisuuden ja puhtauden. Siksi sen laatu vaikuttaa suoraan epitaksiaalisen levyn valmistukseen. Samalla käyttökertojen määrän ja työolosuhteiden muuttuessa sitä on erittäin helppo käyttää ja se kuuluu kulutustavaroihin.
Vaikka grafiitilla on erinomainen lämmönjohtavuus ja stabiilius, sillä on hyvät mahdollisuudet MOCVD-laitteiden peruskomponenttina, mutta tuotantoprosessissa grafiitti syövyttää jauhetta syövyttävien kaasujen ja metallisten orgaanisten yhdisteiden jäämien vuoksi, mikä lyhentää grafiittipohjan käyttöikää huomattavasti. Samalla putoava grafiittijauhe aiheuttaa sirulle saastumista.
Pinnoitustekniikan kehittyminen voi varmistaa jauheen kiinnittymisen pintaan, parantaa lämmönjohtavuutta ja tasaistaa lämmönjakoa, mikä on tullut tärkeimmäksi teknologiaksi tämän ongelman ratkaisemiseksi. Grafiittipohjaisen MOCVD-laitteiden käyttöympäristössä grafiittipohjaisen pinnoitteen on täytettävä seuraavat ominaisuudet:
(1) Grafiittipohja voidaan kääriä kokonaan ja tiheys on hyvä, muuten grafiittipohja syövyttää helposti syövyttävää kaasua.
(2) Yhdistelmälujuus grafiittipohjan kanssa on korkea, jotta pinnoite ei irtoa helposti useiden korkean ja matalan lämpötilan syklien jälkeen.
(3) Sillä on hyvä kemiallinen stabiilius, jotta vältetään pinnoitteen rikkoutuminen korkeissa lämpötiloissa ja syövyttävissä olosuhteissa.
Piikarbidilla on etunaan korroosionkestävyys, korkea lämmönjohtavuus, lämmönshokkikestävyys ja korkea kemiallinen stabiilius, ja se toimii hyvin GaN-epitaksiaalisessa ilmakehässä. Lisäksi piikarbidin lämpölaajenemiskerroin eroaa hyvin vähän grafiitin lämpölaajenemiskertoimesta, joten piikarbidi on ensisijainen materiaali grafiittipohjaisten pintojen pinnoittamiseen.
Tällä hetkellä yleinen piikarbidi (SiC) on pääasiassa 3C-, 4H- ja 6H-tyyppiä, ja eri kidetyyppien piikarbidin käyttötarkoitukset vaihtelevat. Esimerkiksi 4H-SiC:llä voidaan valmistaa suuritehoisia laitteita; 6H-SiC on vakain ja sillä voidaan valmistaa valosähköisiä laitteita; GaN:n kanssa samankaltaisen rakenteensa vuoksi 3C-SiC:tä voidaan käyttää GaN-epitaksiaalikerroksen ja SiC-GaN RF-laitteiden valmistukseen. 3C-SiC tunnetaan myös nimellä β-SiC, ja β-SiC:n tärkeä käyttö on kalvo- ja pinnoitemateriaalina, joten β-SiC on tällä hetkellä tärkein pinnoitemateriaali.
Piikarbidipinnoitteen valmistusmenetelmä
Tällä hetkellä piikarbidipinnoitteen valmistusmenetelmiin kuuluvat pääasiassa geeli-soolimenetelmä, upotusmenetelmä, sivellinpinnoitusmenetelmä, plasmaruiskutusmenetelmä, kemiallinen kaasureaktiomenetelmä (CVR) ja kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä (CVD).
Upotusmenetelmä:
Menetelmä on eräänlainen korkean lämpötilan kiinteän faasin sintraus, jossa upotusjauheena käytetään pääasiassa pii- ja hiilijauheen seosta. Grafiittimatriisi asetetaan upotusjauheeseen, korkean lämpötilan sintraus suoritetaan inertissä kaasussa, ja lopuksi grafiittimatriisin pinnalle saadaan piikarbidipinnoite. Prosessi on yksinkertainen ja pinnoitteen ja alustan yhdistelmä on hyvä, mutta pinnoitteen tasaisuus paksuussuunnassa on huono, mikä johtaa helposti useampien reikien muodostumiseen ja huonoon hapettumisenkestävyyteen.
Siveltimen pinnoitusmenetelmä:
Sivellinpäällystysmenetelmä on pääasiassa nestemäisen raaka-aineen siveleminen grafiittimatriisin pinnalle ja sitten raaka-aineen kovettaminen tietyssä lämpötilassa pinnoitteen valmistamiseksi. Prosessi on yksinkertainen ja kustannukset alhaiset, mutta sivellinpäällystysmenetelmällä valmistettu pinnoite on heikko suhteessa alustaan, pinnoitteen tasaisuus on huono, pinnoite on ohut ja hapettumiskestävyys heikko, joten tarvitaan muita menetelmiä sen auttamiseksi.
Plasmaruiskutusmenetelmä:
Plasmaruiskutusmenetelmässä grafiittimatriisin pinnalle ruiskutetaan pääasiassa sulaa tai puoliksi sulaa raaka-ainetta plasmapistoolilla, minkä jälkeen se jähmetetään ja liitetään pinnoitteen muodostamiseksi. Menetelmä on yksinkertainen käyttää ja sillä voidaan valmistaa suhteellisen tiheä piikarbidipinnoite, mutta menetelmällä valmistettu piikarbidipinnoite on usein liian heikko ja johtaa heikkoon hapettumisenkestävyyteen, joten sitä käytetään yleensä piikarbidikomposiittipinnoitteiden valmistukseen pinnoitteen laadun parantamiseksi.
Geeli-soolimenetelmä:
Geeli-soolimenetelmässä valmistetaan pääasiassa tasainen ja läpinäkyvä sooliliuos, joka peittää matriisin pinnan, kuivataan geeliksi ja sitten sintrataan pinnoitteen saamiseksi. Tämä menetelmä on yksinkertainen käyttää ja edullinen, mutta tuotetulla pinnoitteella on joitakin haittoja, kuten alhainen lämmönshokin kestävyys ja helppo halkeilu, joten sitä ei voida käyttää laajalti.
Kemiallinen kaasureaktio (CVR):
CVR tuottaa pääasiassa piikarbidipinnoitetta käyttämällä pii- ja SiO2-jauhetta SiO-höyryn tuottamiseen korkeassa lämpötilassa, ja hiilimateriaalisubstraatin pinnalla tapahtuu sarja kemiallisia reaktioita. Tällä menetelmällä valmistettu piikarbidipinnoite on tiiviisti sidottu substraattiin, mutta reaktiolämpötila on korkeampi ja kustannukset korkeammat.
Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD):
Tällä hetkellä CVD on tärkein tekniikka piikarbidipinnoitteen valmistamiseksi alustan pinnalle. Pääprosessi on sarja fysikaalisia ja kemiallisia reaktioita kaasufaasireagenssin ja alustan pinnan välillä, ja lopulta piikarbidipinnoite valmistetaan laskeuttamalla se alustan pinnalle. CVD-tekniikalla valmistettu piikarbidipinnoite kiinnitetään tiiviisti alustan pintaan, mikä voi tehokkaasti parantaa alustamateriaalin hapettumiskestävyyttä ja ablatiivista kestävyyttä, mutta tämän menetelmän laskeutumisaika on pidempi ja reaktiokaasussa on tiettyjä myrkyllisiä kaasuja.
Piikarbidipäällysteisen grafiittipohjan markkinatilanne
Kun ulkomaiset valmistajat aloittivat aikaisin, heillä oli selkeä johtoasema ja suuri markkinaosuus. Kansainvälisesti piikarbidipäällysteisen grafiittipohjan päätoimittajia ovat hollantilainen Xycard, saksalainen SGL Carbon (SGL), japanilainen Toyo Carbon ja yhdysvaltalainen MEMC, jotka pohjimmiltaan miehittävät kansainvälisiä markkinoita. Vaikka Kiina on murtautunut keskeisen ydinteknologian läpi piikarbidipäällysteen tasaisessa kasvussa grafiittimatriisin pinnalla, korkealaatuinen grafiittimatriisi on edelleen riippuvainen saksalaisesta SGL:stä, japanilaisesta Toyo Carbonista ja muista yrityksistä. Kotimaisten yritysten toimittama grafiittimatriisi vaikuttaa käyttöikään lämmönjohtavuuden, kimmokertoimen, jäykkyyskertoimen, hilavirheiden ja muiden laatuongelmien vuoksi. MOCVD-laitteet eivät pysty täyttämään piikarbidipäällysteisen grafiittipohjan käyttövaatimuksia.
Kiinan puolijohdeteollisuus kehittyy nopeasti, ja MOCVD-epitaksiaalisten laitteiden lokalisointiasteen asteittaisen kasvun ja muiden prosessisovellusten laajentumisen myötä piikarbidipinnoitettujen grafiittipohjaisten tuotteiden markkinoiden odotetaan kasvavan nopeasti tulevaisuudessa. Alan alustavien arvioiden mukaan kotimaisten grafiittipohjaisten markkinoiden koko ylittää 500 miljoonaa yuania seuraavien vuosien aikana.
SiC-päällystetty grafiittipohja on yhdistettyjen puolijohdeteollistumislaitteiden ydinosa, ja sen tuotannon ja valmistuksen keskeisen ydinteknologian hallinta sekä koko raaka-aine-prosessi-laitteisto-teollisuusketjun lokalisointi on strategisesti tärkeää Kiinan puolijohdeteollisuuden kehityksen varmistamiseksi. Kotimaisen SiC-päällystetyn grafiittipohjan ala kukoistaa, ja tuotteen laatu voi pian saavuttaa kansainvälisen edistyneen tason.
Julkaisun aika: 24.7.2023