חלקי מוליכים למחצה - בסיס גרפיט מצופה SiC

בסיסי גרפיט מצופים SiC משמשים בדרך כלל לתמיכה וחימום של מצעים גבישיים יחידים בציוד MOCVD (מתכת-אורגני). היציבות התרמית, האחידות התרמית ופרמטרי ביצועים אחרים של בסיס גרפיט מצופה SiC ממלאים תפקיד מכריע באיכות צמיחת החומר האפיטקסיאלי, ולכן זהו המרכיב המרכזי של ציוד MOCVD.

בתהליך ייצור פרוסות סיליקון, שכבות אפיטקסיאליות נבנות עוד על גבי חלק ממצעי הפרוסות סיליקון כדי להקל על ייצור התקנים. התקני LED אופייניים צריכים להכין שכבות אפיטקסיאליות של GaAs על גבי מצעי סיליקון; שכבת האפיטקסיאלית של SiC גדלה על גבי מצע SiC מוליך לבניית התקנים כגון SBD, MOSFET וכו', עבור יישומי מתח גבוה, זרם גבוה ויישומי הספק אחרים; שכבת האפיטקסיאלית של GaN נבנית על גבי מצע SiC מבודד למחצה כדי לבנות עוד יותר HEMT והתקנים אחרים עבור יישומי RF כגון תקשורת. תהליך זה בלתי נפרד מציוד CVD.

בציוד CVD, לא ניתן להניח את המצע ישירות על המתכת או פשוט להניח אותו על בסיס לצורך שיקוע אפיטקסיאלי, מכיוון שזה כרוך בזרימת גז (אופקית, אנכית), טמפרטורה, לחץ, קיבוע, פליטת מזהמים והיבטים אחרים של גורמי השפעה. לכן, יש צורך בבסיס, ולאחר מכן המצע מונח על הדיסק, ולאחר מכן השיקוע האפיטקסיאלי מתבצע על המצע באמצעות טכנולוגיית CVD, ובסיס זה הוא בסיס גרפיט מצופה SiC (הידוע גם כמגש).

בסיסי גרפיט מצופים SiC משמשים בדרך כלל לתמיכה וחימום של מצעים גבישיים יחידים בציוד MOCVD (מתכת-אורגני). היציבות התרמית, האחידות התרמית ופרמטרי ביצועים אחרים של בסיס גרפיט מצופה SiC ממלאים תפקיד מכריע באיכות צמיחת החומר האפיטקסיאלי, ולכן זהו המרכיב המרכזי של ציוד MOCVD.

שקיעת אדים כימית אורגנית-מתכתית (MOCVD) היא הטכנולוגיה המרכזית לגידול אפיטקסיאלי של סרטי GaN ב-LED כחול. יש לה יתרונות של פעולה פשוטה, קצב גידול נשלט וטוהר גבוה של סרטי GaN. כמרכיב חשוב בתא התגובה של ציוד MOCVD, בסיס המיסב המשמש לגידול אפיטקסיאלי של סרטי GaN צריך להיות בעל יתרונות של עמידות בטמפרטורה גבוהה, מוליכות תרמית אחידה, יציבות כימית טובה, עמידות חזקה להלם תרמי וכו'. חומר גרפיט יכול לעמוד בתנאים הנ"ל.

כאחד המרכיבים המרכזיים של ציוד MOCVD, בסיס גרפיט הוא גוף הנשא והחימום של המצע, הקובע ישירות את האחידות והטוהר של חומר הסרט, ולכן איכותו משפיעה ישירות על הכנת יריעת האפיטקסיאלית, ובמקביל, עם העלייה במספר השימושים ושינוי תנאי העבודה, קל מאוד ללבוש אותו, והוא שייך לחומרים מתכלים.

למרות שלגרפיט יש מוליכות תרמית ויציבות מצוינות, יש לו יתרון טוב כמרכיב בסיסי של ציוד MOCVD, אך בתהליך הייצור, גרפיט יגרום לאבקה להתקלקל עקב שאריות של גזים קורוזיביים וחומרים אורגניים מתכתיים, וחיי השירות של בסיס הגרפיט יתקצרו במידה ניכרת. יחד עם זאת, אבקת הגרפיט הנופלת תגרום לזיהום השבב.

הופעתה של טכנולוגיית ציפוי יכולה לספק קיבוע אבקה על פני השטח, לשפר את המוליכות התרמית ולהשוות את פיזור החום, מה שהפך לטכנולוגיה העיקרית לפתרון בעיה זו. ציפוי משטח מבוסס גרפיט בסביבת שימוש בציוד MOCVD, על בסיס גרפיט לעמוד במאפיינים הבאים:

(1) ניתן לעטוף את בסיס הגרפיט במלואו, והצפיפות טובה, אחרת בסיס הגרפיט עלול להישחק בקלות בגז קורוזיבי.

(2) חוזק השילוב עם בסיס הגרפיט גבוה כדי להבטיח שהציפוי לא ייפול בקלות לאחר מספר מחזורי טמפרטורה גבוהה ונמוכה.

(3) יש לו יציבות כימית טובה כדי למנוע כשל ציפוי בטמפרטורה גבוהה ובאווירה קורוזיבית.

ל-SiC יתרונות של עמידות בפני קורוזיה, מוליכות תרמית גבוהה, עמידות בפני הלם תרמי ויציבות כימית גבוהה, והוא יכול לעבוד היטב באטמוספירה אפיטקסיאלית של GaN. בנוסף, מקדם ההתפשטות התרמית של SiC שונה מעט מאוד מזה של גרפיט, ולכן SiC הוא החומר המועדף לציפוי פני השטח של בסיס גרפיט.

כיום, ה-SiC הנפוץ הוא בעיקר מסוג 3C, 4H ו-6H, ושימושי ה-SiC של סוגי גבישים שונים שונים. לדוגמה, 4H-SiC יכול לייצר התקנים בעלי הספק גבוה; 6H-SiC הוא היציב ביותר ויכול לייצר התקנים פוטואלקטריים; בשל מבנהו הדומה ל-GaN, ניתן להשתמש ב-3C-SiC לייצור שכבה אפיטקסיאלית של GaN ולייצור התקני RF של SiC-GaN. 3C-SiC ידוע גם בשם β-SiC, ושימוש חשוב של β-SiC הוא כחומר ציפוי וסרט, ולכן β-SiC הוא כיום החומר העיקרי לציפוי.

שיטה להכנת ציפוי סיליקון קרביד

כיום, שיטות ההכנה של ציפוי SiC כוללות בעיקר שיטת ג'ל-סול, שיטת הטבעה, שיטת ציפוי מברשת, שיטת ריסוס פלזמה, שיטת תגובת גז כימית (CVR) ושיטת שקיעת אדים כימית (CVD).

שיטת הטמעה:

השיטה היא סוג של סינטור פאזה מוצקה בטמפרטורה גבוהה, המשתמשת בעיקר בתערובת של אבקת Si ואבקת C כאבקת הטבעה, מטריצת גרפיט מונחת בתוך אבקת ההטבעה, והסינטור בטמפרטורה גבוהה מתבצע בגז אינרטי, ולבסוף מתקבל ציפוי SiC על פני מטריצת הגרפיט. התהליך פשוט והשילוב בין הציפוי למצע טוב, אך אחידות הציפוי לאורך כיוון העובי ירודה, מה שגורם בקלות ליצירת חורים נוספים ועמידות חמצון ירודה.

שיטת ציפוי מברשת:

שיטת ציפוי המברשת היא בעיקר מריחת חומר הגלם הנוזלי על פני מטריצת הגרפיט, ולאחר מכן ריפוי חומר הגלם בטמפרטורה מסוימת כדי להכין את הציפוי. התהליך פשוט ועלותו נמוכה, אך הציפוי המוכן בשיטת ציפוי המברשת חלש בשילוב עם המצע, אחידות הציפוי ירודה, הציפוי דק ועמידות החמצון נמוכה, ויש צורך בשיטות אחרות כדי לסייע בכך.

שיטת ריסוס פלזמה:

שיטת ריסוס הפלזמה היא בעיקר ריסוס חומרי גלם מותכים או מותכים למחצה על פני מטריצת הגרפיט בעזרת אקדח פלזמה, ולאחר מכן התמצקות וחיבור ליצירת ציפוי. השיטה פשוטה לתפעול ויכולה להכין ציפוי סיליקון קרביד צפוף יחסית, אך ציפוי סיליקון קרביד המוכן בשיטה לרוב חלש מדי ומוביל לעמידות חלשה בפני חמצון, ולכן הוא משמש בדרך כלל להכנת ציפוי מרוכב SiC כדי לשפר את איכות הציפוי.

שיטת ג'ל-סול:

שיטת הג'ל-סול נועדה בעיקר להכין תמיסת סול אחידה ושקופה המכסה את פני המטריצה, לייבושה לג'ל ולאחר מכן סינטור לקבלת ציפוי. שיטה זו פשוטה להפעלה ועלותה נמוכה, אך לציפוי המיוצר יש כמה חסרונות כגון עמידות נמוכה להלם תרמי וקל לסדקים, ולכן לא ניתן להשתמש בה באופן נרחב.

תגובת גז כימית (CVR):

CVR מייצר בעיקר ציפוי SiC באמצעות אבקת Si ו-SiO2 ליצירת קיטור SiO בטמפרטורה גבוהה, וסדרה של תגובות כימיות מתרחשות על פני השטח של מצע חומר C. ציפוי ה-SiC המוכן בשיטה זו קשור קשר הדוק למצע, אך טמפרטורת התגובה גבוהה יותר והעלות גבוהה יותר.

שקיעת אדים כימית (CVD):

כיום, CVD היא הטכנולוגיה העיקרית להכנת ציפוי SiC על פני המצע. התהליך העיקרי הוא סדרה של תגובות פיזיקליות וכימיות של חומר מגיב בפאזה גזית על פני המצע, ולבסוף ציפוי ה-SiC מוכן על ידי שיקוע על פני המצע. ציפוי ה-SiC המוכן בטכנולוגיית CVD נקשר היטב לפני המצע, מה שיכול לשפר ביעילות את עמידות החמצון ואת עמידות האבלציה של חומר המצע, אך זמן השיקוע של שיטה זו ארוך יותר, וגז התגובה מכיל גז רעיל מסוים.

מצב השוק של גרפיט מצופה SiC

כאשר יצרנים זרים החלו מוקדם, היה להם יתרון ברור ונתח שוק גבוה. מבחינה בינלאומית, הספקים המרכזיים של גרפיט מצופה SiC הם Xycard ההולנדית, SGL Carbon (SGL) הגרמנית, Toyo Carbon היפנית, MEMC האמריקאית וחברות אחרות, אשר תופסות בעיקר את השוק הבינלאומי. למרות שסין פרצה את טכנולוגיית הליבה המרכזית של צמיחה אחידה של ציפוי SiC על פני מטריצת הגרפיט, מטריצת גרפיט איכותית עדיין מסתמכת על SGL הגרמנית, Toyo Carbon היפנית וחברות אחרות. מטריצת הגרפיט המסופקת על ידי חברות מקומיות משפיעה על חיי השירות עקב מוליכות תרמית, מודול אלסטיות, מודול קשיחות, פגמי סריג ובעיות איכות אחרות. ציוד MOCVD אינו יכול לעמוד בדרישות השימוש בגרפיט מצופה SiC.

תעשיית המוליכים למחצה של סין מתפתחת במהירות, עם העלייה ההדרגתית בקצב הלוקליזציה של ציוד אפיטקסיאלי MOCVD והתרחבות יישומי תהליכים אחרים, שוק מוצרי הגרפיט המצופים בציפוי SiC העתידי צפוי לגדול במהירות. על פי הערכות ראשוניות בתעשייה, שוק הגרפיט המקומי יעלה על 500 מיליון יואן בשנים הקרובות.

בסיס גרפיט מצופה SiC הוא המרכיב המרכזי בציוד לתיעוש מוליכים למחצה מורכבים, שליטה בטכנולוגיית הליבה המרכזית של הייצור והיצירה שלו, והגשמת הלוקליזציה של כל שרשרת תעשיית חומרי הגלם-תהליך-ציוד היא בעלת חשיבות אסטרטגית רבה להבטחת פיתוח תעשיית המוליכים למחצה בסין. תחום הגרפיט המקומי מצופה SiC פורח, ואיכות המוצר עשויה להגיע בקרוב לרמה מתקדמת בינלאומית.