SiCコーティングされたグラファイト基板は、金属有機化学気相成長（MOCVD）装置において、単結晶基板の支持および加熱に一般的に使用されます。SiCコーティングされたグラファイト基板の熱安定性、熱均一性、その他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装置の中核となる重要な構成要素です。
ウェーハ製造工程では、デバイス製造を容易にするために、ウェーハ基板上にエピタキシャル層がさらに形成されます。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形成する必要があります。高電圧・大電流などの電力用途向けデバイス（SBD、MOSFETなど）の製造には、導電性SiC基板上にSiCエピタキシャル層を成長させます。通信などのRF用途向けデバイス（HEMTなど）の製造には、半絶縁性SiC基板上にGaNエピタキシャル層を形成します。この工程はCVD装置と密接に関連しています。
CVD装置では、基板を金属上に直接置いたり、単にエピタキシャル成膜用のベース上に置いたりすることはできません。なぜなら、ガス流（水平方向、垂直方向）、温度、圧力、固定、汚染物質の排出など、様々な影響要因が関係するからです。そのため、ベースが必要となり、その上に基板を置き、CVD技術を用いて基板上にエピタキシャル成膜を行います。このベースは、SiCコーティングされたグラファイトベース（トレイとも呼ばれる）です。
SiCコーティングされたグラファイト基板は、金属有機化学気相成長（MOCVD）装置において、単結晶基板の支持および加熱に一般的に使用されます。SiCコーティングされたグラファイト基板の熱安定性、熱均一性、その他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装置の中核となる重要な構成要素です。
有機金属化学気相成長法（MOCVD）は、青色LEDにおけるGaN薄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薄膜の純度が高いという利点があります。MOCVD装置の反応チャンバーの重要な構成要素であるGaN薄膜エピタキシャル成長用ベアリングベースには、耐高温性、均一な熱伝導性、優れた化学的安定性、高い耐熱衝撃性などの利点が求められます。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装置の主要構成要素の一つであるグラファイトベースは、基板のキャリアおよび加熱体であり、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作製に直接影響します。同時に、使用回数の増加や作業条件の変化に伴い、摩耗しやすく、消耗品に分類されます。
グラファイトは優れた熱伝導性と安定性を持ち、MOCVD装置の基材として大きな利点があるものの、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粉末が腐食し、グラファイト基材の寿命が大幅に短縮されるという問題がある。同時に、落下したグラファイト粉末がチップを汚染する恐れもある。
コーティング技術の出現により、表面粉末の固定、熱伝導率の向上、熱分布の均一化が可能となり、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）黒鉛ベースは完全に覆われており、密度が良好であること。そうでないと、黒鉛ベースは腐食性ガス中で腐食しやすい。
（２）グラファイトベースとの結合強度が高く、高温と低温のサイクルを繰り返してもコーティングが剥がれにくい。
（３）高温や腐食性雰囲気下でも塗膜の剥離を防ぐ優れた化学的安定性を有する。
SiCは、耐食性、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持ち、GaNエピタキシャル雰囲気下でも良好に機能します。さらに、SiCの熱膨張係数はグラファイトの熱膨張係数とほとんど変わらないため、グラファイト基材の表面コーティング材としてSiCは好ましい材料です。
現在、一般的なSiCは主に3C、4H、6H型であり、結晶型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使用できます。6H-SiCは最も安定しており、光電デバイスの製造に使用できます。3C-SiCはGaNと構造が似ているため、GaNエピタキシャル層の製造やSiC-GaN RFデバイスの製造に使用できます。3C-SiCはβ-SiCとも呼ばれ、β-SiCの重要な用途の一つは薄膜やコーティング材料として使用されることです。そのため、β-SiCは現在、コーティングの主要材料となっています。
炭化ケイ素コーティングの製造方法
現在、SiCコーティングの作製方法としては、主にゲルゾル法、埋め込み法、ブラシコーティング法、プラズマスプレー法、化学ガス反応法（CVR）、化学気相成長法（CVD）などが挙げられる。
埋め込み方法:
この方法は高温固相焼結の一種であり、主にSi粉末とC粉末の混合物を埋め込み粉末として使用し、グラファイトマトリックスを埋め込み粉末中に配置して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の表面にSiCコーティングを得る。このプロセスは簡便で、コーティングと基板との結合は良好であるが、厚さ方向のコーティングの均一性が低く、孔が多く発生しやすく、耐酸化性が低下する。
ブラシ塗装方法：
ブラシコーティング法は、主に液状の原料を黒鉛マトリックスの表面にブラシで塗布し、一定温度で原料を硬化させてコーティングを形成する方法です。この方法は工程が簡単でコストも低いですが、ブラシコーティング法で得られるコーティングは基材との結合が弱く、コーティングの均一性が低く、コーティングが薄く、耐酸化性も低いため、他の方法を併用する必要があります。
プラズマスプレー法：
プラズマ溶射法は、溶融または半溶融状態の原料をプラズマガンでグラファイトマトリックスの表面に噴霧し、固化・結合させてコーティングを形成する手法である。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るが、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く、耐酸化性が低い場合が多い。そのため、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役立てられている。
ゲルゾル法：
ゲルゾル法は、主にマトリックス表面を覆う均一で透明なゾル溶液を調製し、乾燥させてゲル状にした後、焼結し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い、ひび割れやすいなどの欠点があるため、広く普及していません。
化学ガス反応（CVR）：
CVRは主に、SiとSiO2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する。この方法で製造されたSiCコーティングは基板に密着するが、反応温度が高く、コストも高くなる。
化学気相成長法（CVD）：
現在、CVDは基板表面にSiCコーティングを形成するための主要な技術である。主なプロセスは、基板表面上で気相反応物質を一連の物理化学反応させ、最終的に基板表面にSiCコーティングを堆積させることである。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および耐摩耗性を効果的に向上させることができるが、この方法の堆積時間は長く、反応ガスには一定の有毒ガスが含まれる。
SiCコーティンググラファイトベースの市場状況
海外メーカーが早期に参入したため、明確なリードと高い市場シェアを獲得しました。国際的に見ると、SiCコーティンググラファイトベースの主要サプライヤーは、オランダのXycard、ドイツのSGL Carbon（SGL）、日本の東洋カーボン、米国のMEMCなどの企業であり、これらの企業が国際市場をほぼ独占しています。中国はグラファイトマトリックス表面へのSiCコーティングの均一成長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の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耐用年数に影響します。MOCVD装置は、SiCコーティンググラファイトベース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や、その他のプロセス応用の拡大に伴い、将来のSiCコーティンググラファイトベース製品市場は急速に成長すると予想されている。業界の予備的な推定によると、国内のグラファイトベース市場は今後数年で5億元を超える見込みだ。
SiCコーティンググラファイト基板は、化合物半導体工業化装置の中核部品であり、その生産・製造における重要なコア技術を習得し、原材料・加工・装置という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にする上で極めて戦略的に重要です。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、製品品質は間もなく国際的な先進レベルに達するでしょう。
投稿日時：2023年7月24日