Le basi di grafite rivestite in SiC sono comunemente utilizzate per supportare e riscaldare substrati monocristallini nelle apparecchiature per la deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD). La stabilità termica, l'uniformità termica e altri parametri prestazionali della base di grafite rivestita in SiC svolgono un ruolo decisivo nella qualità della crescita epitassiale del materiale, pertanto essa rappresenta un componente chiave delle apparecchiature MOCVD.
Nel processo di produzione dei wafer, strati epitassiali vengono ulteriormente depositati su alcuni substrati per facilitare la fabbricazione dei dispositivi. I tipici dispositivi a emissione di luce LED richiedono la preparazione di strati epitassiali di GaAs su substrati di silicio; lo strato epitassiale di SiC viene cresciuto sul substrato conduttivo di SiC 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 depositato su un substrato di SiC semi-isolante per la successiva costruzione di HEMT e altri dispositivi per applicazioni RF come le comunicazioni. Questo processo è inscindibile dalle apparecchiature CVD.
Nell'apparecchiatura CVD, il substrato non può essere posizionato direttamente sul metallo o semplicemente su una base per la deposizione epitassiale, poiché il processo coinvolge il flusso di gas (orizzontale, verticale), la temperatura, la pressione, il fissaggio, il rilascio di contaminanti e altri fattori. Pertanto, è necessaria una base, sulla quale viene posizionato il substrato, e successivamente viene eseguita la deposizione epitassiale sul substrato utilizzando la tecnologia CVD. Questa base è costituita da una base di grafite rivestita di SiC (nota anche come vassoio).
Le basi di grafite rivestite in SiC sono comunemente utilizzate per supportare e riscaldare substrati monocristallini nelle apparecchiature per la deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD). La stabilità termica, l'uniformità termica e altri parametri prestazionali della base di grafite rivestita in SiC svolgono un ruolo decisivo nella qualità della crescita epitassiale del materiale, pertanto essa rappresenta un componente chiave delle apparecchiature MOCVD.
La deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD) è la tecnologia principale per la crescita epitassiale di film di GaN nei LED blu. Presenta i vantaggi di un funzionamento semplice, una velocità di crescita controllabile e un'elevata purezza dei film di GaN. Come componente importante nella camera di reazione dell'apparecchiatura MOCVD, la base di supporto utilizzata per la crescita epitassiale del film di GaN deve possedere caratteristiche quali resistenza alle alte temperature, conduttività termica uniforme, buona stabilità chimica, elevata resistenza agli shock termici, ecc. Il materiale grafitico è in grado di soddisfare tali condizioni.
Essendo uno dei componenti principali delle apparecchiature MOCVD, il substrato di grafite funge da supporto e corpo riscaldante del substrato stesso, determinando direttamente l'uniformità e la purezza del materiale del film. Pertanto, la sua qualità influisce direttamente sulla preparazione del film epitassiale e, allo stesso tempo, con l'aumentare del numero di utilizzi e il cambiamento delle condizioni di lavoro, è soggetto a usura, risultando quindi un materiale di consumo.
Sebbene la grafite possieda un'eccellente conduttività termica e stabilità, e rappresenti un valido componente di base per le apparecchiature MOCVD, durante il processo produttivo, i residui di gas corrosivi e composti organici metallici possono corrodere la polvere di grafite, riducendone notevolmente la durata. Allo stesso tempo, la polvere di grafite che si disperde nell'aria può contaminare il chip.
L'avvento della tecnologia di rivestimento può garantire il fissaggio della polvere superficiale, migliorare la conduttività termica e uniformare la distribuzione del calore, diventando così la tecnologia principale per risolvere questo problema. Nell'ambiente di utilizzo delle apparecchiature MOCVD, il rivestimento superficiale della 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 facilmente soggetta a corrosione nel gas corrosivo.
(2) La forza di combinazione con la base di grafite è elevata per garantire che il rivestimento non si stacchi facilmente dopo diversi cicli di alta e bassa temperatura.
(3) Ha una buona stabilità chimica per evitare il cedimento del rivestimento in atmosfera ad alta temperatura e corrosiva.
Il SiC presenta 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 substrati di grafite.
Attualmente, il SiC più comune è principalmente di tipo 3C, 4H e 6H, e le applicazioni del SiC variano a seconda del tipo cristallino. Ad esempio, il 4H-SiC può essere utilizzato per la produzione di dispositivi ad alta potenza; il 6H-SiC è il più stabile e può essere impiegato nella produzione di dispositivi fotoelettrici; grazie alla sua struttura simile al GaN, il 3C-SiC può essere utilizzato per produrre strati epitassiali di GaN e dispositivi RF SiC-GaN. Il 3C-SiC è anche comunemente noto come β-SiC, e un suo importante utilizzo è come materiale per film e rivestimenti, pertanto il β-SiC è attualmente il materiale principale impiegato per i rivestimenti.
Metodo per la preparazione di un rivestimento in carburo di silicio
Attualmente, i metodi di preparazione del rivestimento in SiC includono principalmente il metodo gel-sol, il metodo di inglobamento, il metodo di rivestimento a pennello, il metodo di spruzzatura al plasma, il metodo di reazione chimica in gas (CVR) e il metodo di deposizione chimica da fase 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 inglobamento. La matrice di grafite viene posta all'interno della polvere di inglobamento e la sinterizzazione ad alta temperatura viene effettuata in atmosfera inerte. Infine, si ottiene un rivestimento di SiC sulla superficie della matrice di grafite. Il processo è semplice e l'adesione tra il rivestimento e il substrato è buona, ma l'uniformità del rivestimento lungo lo spessore è scarsa, il che può facilmente causare la formazione di fori e portare a una scarsa resistenza all'ossidazione.
Metodo di applicazione del rivestimento con pennello:
Il metodo di rivestimento a pennello consiste principalmente nell'applicare la materia prima liquida sulla superficie della matrice di grafite, per poi polimerizzarla a una determinata temperatura e ottenere il rivestimento. Il processo è semplice ed economico, ma il rivestimento ottenuto con questo metodo presenta una scarsa adesione al substrato, una bassa uniformità, uno spessore ridotto e una bassa resistenza all'ossidazione, rendendo necessari altri metodi di miglioramento.
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 mediante una pistola al plasma, per poi solidificarle e legarle tra loro formando un rivestimento. Il metodo è semplice da utilizzare e permette di ottenere un rivestimento di carburo di silicio relativamente denso, ma spesso risulta troppo fragile e presenta una scarsa resistenza all'ossidazione. Per questo motivo, viene generalmente utilizzato per la preparazione di rivestimenti compositi di SiC al fine di migliorarne la qualità.
Metodo gel-sol:
Il metodo gel-sol consiste principalmente nel preparare una soluzione sol uniforme e trasparente che ricopre la superficie della matrice, la fa essiccare fino a formare un gel e poi la sinterizza per ottenere un rivestimento. Questo metodo è semplice da utilizzare e a basso costo, ma il rivestimento prodotto presenta alcuni inconvenienti, come la scarsa resistenza agli shock termici e la facilità di fessurazione, pertanto non è ampiamente utilizzato.
Reazione chimica in fase gassosa (CVR):
Il processo CVR genera principalmente rivestimenti in SiC utilizzando polveri di Si e SiO2 per produrre vapore di SiO ad alta temperatura, e una serie di reazioni chimiche avvengono sulla superficie del substrato di materiale C. Il rivestimento in SiC preparato con questo metodo aderisce strettamente al substrato, ma la temperatura di reazione è più elevata e il costo è maggiore.
Deposizione chimica da fase vapore (CVD):
Attualmente, la deposizione chimica da fase vapore (CVD) è la principale tecnologia utilizzata per la preparazione di rivestimenti in SiC sulla superficie del substrato. Il processo principale consiste in una serie di reazioni fisico-chimiche tra i reagenti in fase gassosa e la superficie del substrato, e infine il rivestimento in SiC viene depositato sulla superficie stessa. Il rivestimento in SiC ottenuto con la tecnologia CVD aderisce saldamente alla superficie del substrato, migliorandone efficacemente la resistenza all'ossidazione e all'abrasione. Tuttavia, questo metodo presenta tempi di deposizione più lunghi e genera gas di reazione potenzialmente tossici.
La situazione di mercato della base di grafite rivestita in SiC
Quando i produttori stranieri hanno iniziato per primi, godevano di un netto vantaggio e di un'elevata quota di mercato. A livello internazionale, i principali fornitori di basi di grafite rivestite in SiC sono l'olandese Xycard, la tedesca SGL Carbon (SGL), la giapponese Toyo Carbon, la statunitense MEMC e altre aziende, che sostanzialmente occupano il mercato internazionale. Sebbene la Cina abbia raggiunto un traguardo fondamentale nella tecnologia chiave della crescita uniforme del rivestimento in SiC sulla superficie della matrice di grafite, la matrice di grafite di alta qualità dipende ancora da aziende come la tedesca SGL e la giapponese Toyo Carbon. La matrice di grafite fornita dalle aziende nazionali, infatti, risente della durata utile a causa di problemi di conducibilità termica, modulo elastico, modulo rigido, difetti reticolari e altri difetti di qualità. Le apparecchiature MOCVD non sono in grado di soddisfare i requisiti per l'utilizzo di basi di grafite rivestite in SiC.
L'industria cinese dei semiconduttori si sta sviluppando rapidamente e, grazie al graduale aumento del tasso di localizzazione delle apparecchiature per la deposizione epitassiale MOCVD e all'espansione di altre applicazioni di processo, si prevede una rapida crescita del mercato dei prodotti a base di grafite rivestiti in SiC. Secondo le 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. Padroneggiare le tecnologie chiave per la sua produzione e fabbricazione, e realizzare la localizzazione dell'intera catena industriale materie prime-processo-apparecchiature, riveste grande importanza strategica per garantire lo sviluppo dell'industria cinese dei semiconduttori. Il settore della base di grafite rivestita in SiC a livello nazionale è in forte espansione e la qualità del prodotto potrà presto raggiungere livelli avanzati internazionali.
Data di pubblicazione: 24 luglio 2023