Les bases en graphite revêtues de SiC sont couramment utilisées pour supporter et chauffer les substrats monocristallins dans les équipements de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). La stabilité thermique, l'uniformité thermique et d'autres paramètres de performance de la base en graphite revêtue de SiC jouent un rôle déterminant dans la qualité de la croissance épitaxiale du matériau ; c'est donc un composant clé des équipements MOCVD.
Lors de la fabrication de plaquettes, des couches épitaxiales sont ensuite construites sur certains substrats afin de faciliter la fabrication des dispositifs. Les dispositifs électroluminescents LED classiques nécessitent la préparation de couches épitaxiales de GaAs sur des substrats de silicium. La couche épitaxiale de SiC est développée sur un substrat conducteur de SiC pour la construction de dispositifs tels que SBD, MOSFET, etc., destinés à des applications haute tension, courant élevé et autres applications de puissance. La couche épitaxiale de GaN est construite sur un substrat de SiC semi-isolé pour la construction de transistors à effet de champ (HEMT) et d'autres dispositifs destinés à des applications RF telles que les communications. Ce procédé est indissociable de l'équipement CVD.
Dans l'équipement CVD, le substrat ne peut pas être placé directement sur le métal ni simplement sur un support pour le dépôt épitaxial, car cela implique des facteurs tels que le flux de gaz (horizontal, vertical), la température, la pression, la fixation, le décapage des polluants et d'autres facteurs. Par conséquent, un support est nécessaire, puis le substrat est placé sur le disque, puis le dépôt épitaxial est réalisé par CVD. Ce support est un support en graphite revêtu de SiC (également appelé plateau).
Les bases en graphite revêtues de SiC sont couramment utilisées pour supporter et chauffer les substrats monocristallins dans les équipements de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). La stabilité thermique, l'uniformité thermique et d'autres paramètres de performance de la base en graphite revêtue de SiC jouent un rôle déterminant dans la qualité de la croissance épitaxiale du matériau ; c'est donc un composant clé des équipements MOCVD.
Le dépôt chimique en phase vapeur (MOCVD) est la technologie dominante pour la croissance épitaxiale de films de GaN dans les LED bleues. Il présente les avantages d'une utilisation simple, d'une vitesse de croissance contrôlable et d'une grande pureté des films de GaN. En tant que composant important de la chambre de réaction de l'équipement MOCVD, le support utilisé pour la croissance épitaxiale des films de GaN doit présenter les avantages suivants : résistance aux hautes températures, conductivité thermique uniforme, bonne stabilité chimique, forte résistance aux chocs thermiques, etc. Le graphite répond à ces exigences.
En tant que l'un des composants principaux de l'équipement MOCVD, la base en graphite est le support et le corps chauffant du substrat, qui détermine directement l'uniformité et la pureté du matériau du film, de sorte que sa qualité affecte directement la préparation de la feuille épitaxiale, et en même temps, avec l'augmentation du nombre d'utilisations et le changement des conditions de travail, il est très facile à porter, appartenant aux consommables.
Bien que le graphite présente une excellente conductivité thermique et une excellente stabilité, il constitue un atout majeur comme composant de base des équipements MOCVD. Cependant, lors de la production, il corrode la poudre en raison des résidus de gaz corrosifs et de composés organiques métalliques, ce qui réduit considérablement sa durée de vie. Parallèlement, la chute de poudre de graphite pollue la puce.
L'émergence des technologies de revêtement permet de fixer la poudre en surface, d'améliorer la conductivité thermique et d'égaliser la répartition de la chaleur, ce qui est devenu la principale technologie pour résoudre ce problème. Dans les environnements d'utilisation des équipements MOCVD, le revêtement de surface à base de graphite doit répondre aux caractéristiques suivantes :
(1) La base en graphite peut être entièrement enveloppée et la densité est bonne, sinon la base en graphite est facile à corroder dans le gaz corrosif.
(2) La résistance de la combinaison avec la base en graphite est élevée pour garantir que le revêtement ne tombe pas facilement après plusieurs cycles à haute et basse température.
(3) Il a une bonne stabilité chimique pour éviter la défaillance du revêtement à haute température et dans une atmosphère corrosive.
Le SiC présente les avantages suivants : résistance à la corrosion, conductivité thermique élevée, résistance aux chocs thermiques et stabilité chimique élevée. Il est également adapté à une atmosphère épitaxiale de GaN. De plus, son coefficient de dilatation thermique diffère peu de celui du graphite, ce qui en fait le matériau privilégié pour le revêtement de surface des substrats en graphite.
Actuellement, le SiC le plus courant est principalement de type 3C, 4H et 6H, et les utilisations du SiC varient selon les types de cristaux. Par exemple, le 4H-SiC permet de fabriquer des dispositifs de forte puissance ; le 6H-SiC est le plus stable et permet de fabriquer des dispositifs photoélectriques ; et grâce à sa structure similaire à celle du GaN, le 3C-SiC peut être utilisé pour produire des couches épitaxiales de GaN et des dispositifs RF SiC-GaN. Le 3C-SiC est également connu sous le nom de β-SiC, et il est fréquemment utilisé comme matériau de film et de revêtement. Il est donc actuellement le principal matériau de revêtement.
Procédé de préparation d'un revêtement en carbure de silicium
À l'heure actuelle, les méthodes de préparation du revêtement SiC comprennent principalement la méthode gel-sol, la méthode d'enrobage, la méthode de revêtement au pinceau, la méthode de pulvérisation au plasma, la méthode de réaction chimique au gaz (CVR) et la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Méthode d'intégration :
Ce procédé est un frittage en phase solide à haute température. Il utilise principalement un mélange de poudres de silicium et de carbone comme poudre d'enrobage. La matrice de graphite est placée dans cette poudre, puis le frittage à haute température est réalisé sous gaz inerte. Un revêtement de SiC est finalement obtenu à la surface de la matrice de graphite. Le procédé est simple et l'intégration du revêtement au substrat est bonne. Cependant, l'uniformité du revêtement dans le sens de l'épaisseur est médiocre, ce qui favorise la formation de trous et entraîne une faible résistance à l'oxydation.
Méthode de revêtement au pinceau :
La méthode de revêtement au pinceau consiste principalement à appliquer la matière première liquide sur la surface de la matrice en graphite, puis à la durcir à une température donnée pour obtenir le revêtement. Le procédé est simple et peu coûteux, mais le revêtement obtenu par ce procédé est fragile en combinaison avec le substrat : son uniformité, sa finesse et sa résistance à l'oxydation sont médiocres. D'autres méthodes sont donc nécessaires pour l'améliorer.
Méthode de projection plasma :
La projection plasma consiste principalement à projeter des matières premières fondues ou semi-fondues sur la surface d'une matrice en graphite à l'aide d'un pistolet plasma, puis à les solidifier et à les lier pour former un revêtement. Simple à utiliser, cette méthode permet de préparer un revêtement de carbure de silicium relativement dense. Cependant, ce revêtement est souvent trop fragile et présente une faible résistance à l'oxydation. C'est pourquoi elle est généralement utilisée pour la préparation de revêtements composites SiC afin d'en améliorer la qualité.
Méthode gel-sol :
La méthode gel-sol consiste principalement à préparer une solution de sol uniforme et transparente recouvrant la surface de la matrice, à la sécher jusqu'à obtenir un gel, puis à la fritter pour obtenir un revêtement. Cette méthode est simple à mettre en œuvre et peu coûteuse, mais le revêtement obtenu présente quelques inconvénients, comme une faible résistance aux chocs thermiques et une fissuration facile, ce qui limite son utilisation à grande échelle.
Réaction chimique en gaz (CVR) :
Le CVR génère principalement un revêtement SiC en utilisant de la poudre de Si et de SiO2 pour générer de la vapeur de SiO à haute température. Une série de réactions chimiques se produisent à la surface du substrat en matériau C. Le revêtement SiC préparé par cette méthode est étroitement lié au substrat, mais la température de réaction est plus élevée et le coût est plus élevé.
Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :
Actuellement, le CVD est la principale technologie de préparation de revêtements de SiC à la surface du substrat. Le procédé principal consiste en une série de réactions physiques et chimiques du matériau réactif en phase gazeuse à la surface du substrat, puis le revêtement de SiC est préparé par dépôt. Le revêtement de SiC préparé par CVD adhère étroitement à la surface du substrat, ce qui améliore efficacement sa résistance à l'oxydation et à l'ablation. Cependant, le temps de dépôt est plus long et le gaz de réaction est toxique.
La situation du marché des bases en graphite revêtues de SiC
Lorsque les fabricants étrangers se sont lancés très tôt, ils bénéficiaient d'une nette avance et d'une part de marché importante. À l'échelle internationale, les principaux fournisseurs de bases en graphite revêtues de SiC sont Xycard (Pays-Bas), SGL Carbon (Allemagne), Toyo Carbon (Japon) et MEMC (États-Unis), qui dominent largement le marché international. Bien que la Chine ait innové dans la technologie clé de la croissance uniforme du revêtement SiC sur la surface des matrices en graphite, la qualité des matrices en graphite dépend encore de SGL (Allemagne), Toyo Carbon (Japon) et d'autres entreprises. La matrice en graphite fournie par les entreprises nationales affecte la durée de vie en raison de problèmes de conductivité thermique, de module d'élasticité, de module de rigidité, de défauts de réseau et d'autres problèmes de qualité. L'équipement MOCVD ne peut pas répondre aux exigences d'utilisation de bases en graphite revêtues de SiC.
L'industrie chinoise des semi-conducteurs se développe rapidement. Avec l'augmentation progressive du taux de localisation des équipements épitaxiaux MOCVD et l'expansion d'autres applications, le marché futur des produits à base de graphite revêtu de SiC devrait connaître une croissance rapide. Selon les premières estimations du secteur, le marché intérieur des produits à base de graphite devrait dépasser les 500 millions de yuans dans les prochaines années.
La base en graphite revêtue de SiC est un composant essentiel des équipements d'industrialisation des semi-conducteurs composites. La maîtrise des technologies clés de sa production et de sa fabrication, ainsi que la localisation de l'ensemble de la chaîne industrielle (matières premières, procédés et équipements) sont d'une importance stratégique majeure pour le développement de l'industrie chinoise des semi-conducteurs. Le secteur de la base en graphite revêtue de SiC est en plein essor et la qualité des produits pourrait bientôt atteindre un niveau international de pointe.
Date de publication : 24 juillet 2023