Parti semiconduttrici – Base in grafite rivestita in SiC

Le basi in grafite rivestite in SiC sono comunemente utilizzate per supportare e riscaldare substrati monocristallini nelle apparecchiature per la deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD). La stabilità termica, l'uniformità termica e altri parametri prestazionali della base in grafite rivestita in SiC svolgono un ruolo decisivo nella qualità della crescita epitassiale del materiale, rappresentando quindi il componente chiave delle apparecchiature MOCVD.

Nel processo di produzione dei wafer, gli strati epitassiali vengono ulteriormente realizzati su alcuni substrati per facilitare la produzione dei dispositivi. I tipici dispositivi a emissione luminosa a LED richiedono la preparazione di strati epitassiali di GaAs su substrati di silicio; lo strato epitassiale di SiC viene fatto crescere sul substrato di SiC conduttivo per la costruzione di dispositivi come SBD, MOSFET, ecc., per applicazioni ad alta tensione, alta corrente e altre applicazioni di potenza; lo strato epitassiale di GaN viene realizzato su un substrato di SiC semiisolato per la costruzione di dispositivi HEMT e altri dispositivi per applicazioni RF come le comunicazioni. Questo processo è inseparabile dalle apparecchiature CVD.

Nelle apparecchiature CVD, il substrato non può essere posizionato direttamente sul metallo o semplicemente su una base per la deposizione epitassiale, poiché questa coinvolge il flusso di gas (orizzontale, verticale), la temperatura, la pressione, la fissazione, la rimozione di inquinanti e altri fattori. Pertanto, è necessaria una base, quindi il substrato viene posizionato sul disco e la deposizione epitassiale viene eseguita sul substrato utilizzando la tecnologia CVD. Questa base è la base in grafite rivestita in SiC (nota anche come vassoio).

Le basi in grafite rivestite in SiC sono comunemente utilizzate per supportare e riscaldare substrati monocristallini nelle apparecchiature per la deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD). La stabilità termica, l'uniformità termica e altri parametri prestazionali della base in grafite rivestita in SiC svolgono un ruolo decisivo nella qualità della crescita epitassiale del materiale, rappresentando quindi il componente chiave delle apparecchiature MOCVD.

La deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD) è la tecnologia più diffusa per la crescita epitassiale di film di GaN in LED blu. Presenta i vantaggi di semplicità di funzionamento, velocità di crescita controllabile ed elevata purezza dei film di GaN. Come componente fondamentale della camera di reazione delle apparecchiature MOCVD, la base di appoggio utilizzata per la crescita epitassiale dei film di GaN deve presentare i vantaggi di resistenza alle alte temperature, conduttività termica uniforme, buona stabilità chimica, elevata resistenza agli shock termici, ecc. Il materiale in grafite può soddisfare i requisiti sopra indicati.

Essendo uno dei componenti principali delle apparecchiature MOCVD, la base di grafite è il supporto e il corpo riscaldante del substrato, che determina direttamente l'uniformità e la purezza del materiale del film, quindi la sua qualità influisce direttamente sulla preparazione del foglio epitassiale e, allo stesso tempo, con l'aumento del numero di utilizzi e il cambiamento delle condizioni di lavoro, è molto facile da usurare, appartenendo ai materiali di consumo.

Sebbene la grafite abbia un'eccellente conduttività termica e stabilità, offre un buon vantaggio come componente di base per le apparecchiature MOCVD, ma durante il processo produttivo, la grafite corrode la polvere a causa dei residui di gas corrosivi e composti organici metallici, riducendo notevolmente la durata della base di grafite. Allo stesso tempo, la polvere di grafite che cade può causare inquinamento del chip.

L'avvento della tecnologia di rivestimento può fornire un fissaggio superficiale della polvere, migliorare la conduttività termica e uniformare la distribuzione del calore, diventando la tecnologia principale per risolvere questo problema. Nell'ambiente di utilizzo delle apparecchiature MOCVD, il rivestimento superficiale a base di grafite deve soddisfare le seguenti caratteristiche:

(1) La base di grafite può essere completamente avvolta e la densità è buona, altrimenti la base di grafite è facile da corrodere nel gas corrosivo.

(2) La resistenza combinata con la base di grafite è elevata per garantire che il rivestimento non si stacchi facilmente dopo diversi cicli ad alta e bassa temperatura.

(3) Ha una buona stabilità chimica per evitare il cedimento del rivestimento in atmosfere ad alta temperatura e corrosive.

Il SiC offre i vantaggi di resistenza alla corrosione, elevata conduttività termica, resistenza agli shock termici ed elevata stabilità chimica, e può funzionare bene in atmosfera epitassiale di GaN. Inoltre, il coefficiente di dilatazione termica del SiC differisce molto poco da quello della grafite, quindi il SiC è il materiale preferito per il rivestimento superficiale di basi in grafite.

Attualmente, il SiC comune è principalmente di tipo 3C, 4H e 6H, e gli utilizzi del SiC nei diversi tipi di cristalli sono diversi. Ad esempio, il 4H-SiC può essere impiegato per la produzione di dispositivi ad alta potenza; il 6H-SiC è il più stabile e può essere impiegato per la produzione di dispositivi fotoelettrici; grazie alla sua struttura simile al GaN, il 3C-SiC può essere utilizzato per produrre strati epitassiali in GaN e dispositivi RF SiC-GaN. Il 3C-SiC è anche comunemente noto come β-SiC, e un importante utilizzo del β-SiC è come materiale per film e rivestimenti, pertanto il β-SiC è attualmente il principale materiale per i rivestimenti.

Metodo per la preparazione del rivestimento in carburo di silicio

Attualmente, i metodi di preparazione del rivestimento in SiC includono principalmente il metodo gel-sol, il metodo di inclusione, il metodo di rivestimento a pennello, il metodo di spruzzatura al plasma, il metodo di reazione chimica del gas (CVR) e il metodo di deposizione chimica da vapore (CVD).

Metodo di incorporamento:

Il metodo consiste in una sorta di sinterizzazione in fase solida ad alta temperatura, che utilizza principalmente una miscela di polvere di Si e polvere di C come polvere di inclusione; la matrice di grafite viene inserita nella polvere di inclusione e la sinterizzazione ad alta temperatura viene eseguita in un ambiente con gas inerte; infine, si ottiene il rivestimento in SiC sulla superficie della matrice di grafite. Il processo è semplice e la combinazione tra il rivestimento e il substrato è buona, ma l'uniformità del rivestimento lungo la direzione dello spessore è scarsa, il che facilita la formazione di più fori e comporta una scarsa resistenza all'ossidazione.

Metodo di rivestimento a pennello:

Il metodo di rivestimento a pennello consiste principalmente nel spennellare la materia prima liquida sulla superficie della matrice di grafite, per poi polimerizzarla a una certa temperatura per preparare il rivestimento. Il processo è semplice e poco costoso, ma il rivestimento preparato con il metodo di rivestimento a pennello risulta debole in combinazione con il substrato, l'uniformità del rivestimento è scarsa, il rivestimento è sottile e la resistenza all'ossidazione è bassa, rendendo necessari altri metodi per ottenerlo.

Metodo di spruzzatura al plasma:

Il metodo di spruzzatura al plasma consiste principalmente nello spruzzare materie prime fuse o semifuse sulla superficie della matrice di grafite con una pistola al plasma, per poi solidificarle e legarle formando un rivestimento. Il metodo è semplice da utilizzare e consente di ottenere un rivestimento in carburo di silicio relativamente denso, ma il rivestimento in carburo di silicio ottenuto con questo metodo è spesso troppo debole e comporta una scarsa resistenza all'ossidazione. Per questo motivo, viene generalmente utilizzato per la preparazione di rivestimenti compositi in SiC al fine di migliorarne la qualità.

Metodo gel-sol:

Il metodo gel-sol consiste principalmente nel preparare una soluzione di sol uniforme e trasparente che ricopre la superficie della matrice, essiccandola fino a formare un gel e quindi sinterizzandola per ottenere un rivestimento. Questo metodo è semplice da utilizzare e poco costoso, ma il rivestimento prodotto presenta alcuni difetti, come la scarsa resistenza agli shock termici e la facile formazione di crepe, che ne limitano l'utilizzo su larga scala.

Reazione chimica dei gas (CVR):

Il CVR genera principalmente rivestimenti in SiC utilizzando polvere di Si e SiO₂ per generare vapore di SiO ad alta temperatura, e una serie di reazioni chimiche si verificano sulla superficie del substrato di materiale C. Il rivestimento in SiC preparato con questo metodo è strettamente legato al substrato, ma la temperatura di reazione è più elevata e il costo è maggiore.

Deposizione chimica da vapore (CVD):

Attualmente, la CVD è la principale tecnologia per la preparazione del rivestimento in SiC sulla superficie del substrato. Il processo principale consiste in una serie di reazioni fisiche e chimiche del materiale reagente in fase gassosa sulla superficie del substrato, e infine il rivestimento in SiC viene preparato per deposizione sulla superficie del substrato. Il rivestimento in SiC preparato con la tecnologia CVD aderisce saldamente alla superficie del substrato, il che può migliorare efficacemente la resistenza all'ossidazione e all'ablatività del materiale del substrato, ma il tempo di deposizione di questo metodo è più lungo e il gas di reazione contiene una certa quantità di gas tossico.

La situazione del mercato della base di grafite rivestita in SiC

Quando i produttori stranieri iniziarono presto, detenevano un netto vantaggio e un'elevata quota di mercato. A livello internazionale, i principali fornitori di basi in grafite rivestita in SiC sono l'olandese Xycard, la tedesca SGL Carbon (SGL), la giapponese Toyo Carbon, la statunitense MEMC e altre aziende, che occupano sostanzialmente il mercato internazionale. Sebbene la Cina abbia introdotto la tecnologia chiave per la crescita uniforme del rivestimento in SiC sulla superficie della matrice di grafite, la matrice di grafite di alta qualità si affida ancora alle aziende tedesche SGL, giapponesi Toyo Carbon e altre. La matrice di grafite fornita dalle aziende nazionali influisce sulla durata a causa di conduttività termica, modulo elastico, modulo rigido, difetti reticolari e altri problemi di qualità. Le apparecchiature MOCVD non possono soddisfare i requisiti per l'utilizzo di basi in grafite rivestita in SiC.

L'industria cinese dei semiconduttori si sta sviluppando rapidamente. Con il graduale aumento del tasso di localizzazione delle apparecchiature epitassiali MOCVD e l'espansione di altre applicazioni di processo, si prevede una rapida crescita del mercato dei prodotti a base di grafite rivestita in SiC. Secondo stime preliminari del settore, il mercato interno dei prodotti a base di grafite supererà i 500 milioni di yuan nei prossimi anni.

La base di grafite rivestita in SiC è il componente principale delle apparecchiature per l'industrializzazione dei semiconduttori composti. La padronanza della tecnologia chiave per la sua produzione e fabbricazione e la localizzazione dell'intera filiera materia prima-processo-apparecchiature rivestono un'importanza strategica fondamentale per garantire lo sviluppo dell'industria cinese dei semiconduttori. Il settore della base di grafite rivestita in SiC è in forte espansione e la qualità del prodotto potrebbe presto raggiungere livelli di eccellenza a livello internazionale.