SiCコーティンググラファイト基板は、有機金属化学気相成長（MOCVD）装置において、単結晶基板の支持と加熱に広く用いられています。SiCコーティンググラファイト基板の熱安定性、熱均一性などの性能パラメータは、エピタキシャル材料の成長品質に決定的な役割を果たすため、MOCVD装置の中核となる主要部品です。
ウェーハ製造工程では、デバイスの製造を容易にするために、一部のウェーハ基板上にエピタキシャル層をさらに形成します。一般的なLED発光デバイスでは、シリコン基板上にGaAsのエピタキシャル層を作製する必要があります。導電性SiC基板上にSiCエピタキシャル層を成長させ、高電圧、高電流などの電力用途向けのSBD、MOSFETなどのデバイスを構築します。半絶縁性SiC基板上にGaNエピタキシャル層を成長させ、通信などのRF用途向けのHEMTなどのデバイスを構築します。このプロセスはCVD装置と切り離すことはできません。
CVD装置では、基板を金属上に直接置いたり、単にベース上に置いたりしてエピタキシャル成長を行うことはできません。これは、ガスの流れ（水平、垂直）、温度、圧力、固定、汚染物質の放出など、様々な影響要因が関係するためです。そのため、ベースが必要となり、その上に基板をディスク上に置き、CVD技術を用いて基板上にエピタキシャル成長を行います。このベースとは、SiCコーティングされたグラファイトベース（トレイとも呼ばれます）です。
SiCコーティンググラファイト基板は、有機金属化学気相成長（MOCVD）装置において、単結晶基板の支持と加熱に広く用いられています。SiCコーティンググラファイト基板の熱安定性、熱均一性などの性能パラメータは、エピタキシャル材料の成長品質に決定的な役割を果たすため、MOCVD装置の中核となる主要部品です。
有機金属化学気相成長法（MOCVD）は、青色LEDにおけるGaN膜のエピタキシャル成長の主流技術です。操作が簡単で、成長速度を制御でき、GaN膜の純度が高いという利点があります。MOCVD装置の反応室の重要な部品として、GaN膜のエピタキシャル成長に使用されるベアリングベースは、耐熱性、均一な熱伝導性、優れた化学的安定性、強い耐熱衝撃性などの利点を備えている必要があります。グラファイト材料は、これらの条件を満たすことができます。
MOCVD装置のコアコンポーネントの一つであるグラファイトベースは、基板のキャリアと加熱体であり、膜材料の均一性と純度を直接決定するため、その品質はエピタキシャルシートの製造に直接影響を及ぼします。同時に、使用回数の増加や作業条件の変化に伴い、非常に摩耗しやすく、消耗品に属します。
グラファイトは優れた熱伝導性と安定性を備え、MOCVD装置の基礎部品として優れた利点を有していますが、製造工程において、腐食性ガスや金属有機物の残留物によってグラファイト粉末が腐食し、グラファイトベースの耐用年数が大幅に低下します。同時に、落下したグラファイト粉末はチップを汚染します。
コーティング技術の登場により、粉末の表面固定、熱伝導率の向上、熱分布の均一化が可能になり、この問題を解決するための主要な技術となっています。MOCVD装置の使用環境におけるグラファイト基材の表面コーティングは、以下の特性を満たす必要があります。
（１）グラファイトベースは完全に巻き付けられ、密度が良好であり、そうでなければグラファイトベースは腐食性ガス中で腐食されやすい。
（２）グラファイトベースとの結合強度が高く、数回の高温・低温サイクルを経てもコーティングが剥がれにくいことを保証する。
（３）化学的安定性に優れているため、高温や腐食性雰囲気下でもコーティングの不具合が発生しません。
SiCは耐腐食性、高い熱伝導率、耐熱衝撃性、高い化学的安定性といった利点を有し、GaNエピタキシャル雰囲気下でも良好な動作を示します。さらに、SiCの熱膨張係数はグラファイトとほとんど変わらないため、グラファイトベースの表面コーティングに最適な材料です。
現在、一般的なSiCは主に3C、4H、6H型であり、結晶の種類によって用途が異なります。例えば、4H-SiCは高出力デバイスの製造に適しており、6H-SiCは最も安定しており、光電デバイスの製造に用いられます。3C-SiCはGaNと構造が類似しているため、GaNエピタキシャル層の形成やSiC-GaN RFデバイスの製造に用いられます。3C-SiCは一般にβ-SiCとも呼ばれ、フィルムやコーティング材料としての利用が重要な用途であり、現在、コーティング材料としてβ-SiCが主流となっています。
炭化ケイ素コーティングの製造方法
現在、SiCコーティングの製造方法としては、主にゲルゾル法、埋め込み法、ブラシ塗布法、プラズマ噴霧法、化学ガス反応法（CVR）、化学蒸着法（CVD）などがあります。
埋め込み方法:
この方法は高温固相焼結法の一種で、主にSi粉末とC粉末の混合物を埋め込み粉末として用い、グラファイトマトリックスを埋め込み粉末中に配置した後、不活性ガス中で高温焼結を行い、最終的にグラファイトマトリックス表面にSiCコーティングを得る。プロセスは簡便で、コーティングと基材の密着性は良好であるが、コーティングの厚さ方向の均一性が悪いため、孔が開きやすく、耐酸化性も低下する。
刷毛塗り方法：
刷毛塗り法は、主に液状の原料をグラファイトマトリックスの表面に刷毛塗りし、一定の温度で硬化させることでコーティング層を形成する方法です。プロセスは簡便でコストも低いですが、刷毛塗り法で形成されたコーティングは基材との密着性が悪く、コーティングの均一性が悪く、コーティング層が薄く、耐酸化性が低いという問題があり、他の方法による補助が必要です。
プラズマ溶射法：
プラズマ溶射法は、主にプラズマガンを用いて溶融または半溶融状態の原料をグラファイトマトリックスの表面に噴射し、凝固・結合させてコーティングを形成する方法です。この方法は操作が簡単で、比較的緻密な炭化ケイ素コーティングを作製できますが、この方法で作製された炭化ケイ素コーティングは強度が弱すぎることが多く、耐酸化性が弱いため、一般的にはSiC複合コーティングの作製に用いられ、コーティングの品質向上に使用されます。
ゲルゾル法：
ゲルゾル法は、主に均一で透明なゾル溶液を調製し、マトリックス表面を覆い、乾燥させてゲル化させた後、焼結させてコーティングを得る方法です。この方法は操作が簡単でコストも低いですが、得られるコーティングは耐熱衝撃性が低く、ひび割れやすいなどの欠点があり、広く普及していません。
化学ガス反応（CVR）：
CVR法は主に、SiとSiO2の粉末を用いて高温でSiO蒸気を発生させ、C材料基板の表面で一連の化学反応を起こすことでSiCコーティングを生成します。この方法で作製されたSiCコーティングは基板に密着しますが、反応温度が高く、コストも高くなります。
化学蒸着法（CVD）：
現在、CVD法は基板表面にSiCコーティングを形成する主な技術です。主なプロセスは、気相反応物質を基板表面で一連の物理化学反応させ、最終的に基板表面に堆積させることでSiCコーティングを形成することです。CVD技術で形成されたSiCコーティングは基板表面に密着するため、基板材料の耐酸化性と耐アブレーション性を効果的に向上させることができますが、この方法では堆積時間が長く、反応ガスには一定の毒性ガスが含まれています。
SiCコーティンググラファイトベースの市場状況
海外メーカーは早期に参入した際には、明確なリードと高い市場シェアを獲得していました。現在、SiCコーティンググラファイト基材の主流サプライヤーは、オランダのXycard、ドイツのSGL Carbon（SGL）、日本の東洋カーボン、アメリカのMEMCなどであり、基本的に国際市場を独占しています。中国はグラファイトマトリックスの表面にSiCコーティングを均一に成長させるという重要なコア技術を突破しましたが、高品質のグラファイトマトリックスは依然としてドイツSGL、日本の東洋カーボンなどの企業に依存しており、国内企業が提供するグラファイトマトリックスは、熱伝導率、弾性率、剛性率、格子欠陥などの品質問題により、使用寿命に影響を与えます。MOCVD装置は、SiCコーティンググラファイト基材の使用要件を満たすことができません。
中国の半導体産業は急速に発展しており、MOCVDエピタキシャル装置の国産化率の漸進的な上昇とその他のプロセス応用の拡大に伴い、SiCコーティンググラファイトベース製品市場は今後急速に成長すると予想されています。業界の予備的な予測によると、中国のグラファイトベース市場は今後数年間で5億人民元を超えると見込まれています。
SiCコーティンググラファイト基板は、複合半導体産業化設備の中核部品であり、その生産・製造における重要なコア技術を習得し、原材料からプロセス、設備に至るまでの産業チェーン全体の国産化を実現することは、中国の半導体産業の発展を確実なものとする上で、極めて重要な戦略的意義を有する。国内のSiCコーティンググラファイト基板分野は活況を呈しており、製品品質はまもなく国際先進レベルに達する可能性がある。
投稿日時: 2023年7月24日