Grafietsubstraten met een SiC-coating worden vaak gebruikt om enkelkristalsubstraten te ondersteunen en te verwarmen in MOCVD-apparatuur (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). De thermische stabiliteit, thermische uniformiteit en andere prestatieparameters van het SiC-gecoate grafietsubstraat spelen een cruciale rol in de kwaliteit van de epitaxiale materiaalgroei, waardoor het een essentieel onderdeel is van MOCVD-apparatuur.
Tijdens de waferproductie worden op sommige wafersubstraten epitaxiale lagen aangebracht om de fabricage van componenten te vergemakkelijken. Voor typische LED-lichtbronnen worden epitaxiale GaAs-lagen op siliciumsubstraten aangebracht; de SiC-epitaxiale laag wordt op een geleidend SiC-substraat gegroeid voor de constructie van componenten zoals SBD's, MOSFET's, enz., voor toepassingen met hoge spanning, hoge stroomsterkte en andere vermogensvereisten; de GaN-epitaxiale laag wordt op een halfgeleidend SiC-substraat aangebracht voor de constructie van HEMT's en andere componenten voor RF-toepassingen zoals communicatie. Dit proces is onlosmakelijk verbonden met CVD-apparatuur.
Bij CVD-apparatuur kan het substraat niet direct op het metaal of simpelweg op een basis worden geplaatst voor epitaxiale depositie, omdat dit invloed heeft op de gasstroom (horizontaal, verticaal), temperatuur, druk, fixatie, het verwijderen van verontreinigende stoffen en andere factoren. Daarom is een basis nodig waarop het substraat wordt geplaatst, waarna de epitaxiale depositie op het substraat plaatsvindt met behulp van CVD-technologie. Deze basis is een met SiC gecoate grafietplaat (ook wel tray genoemd).
Grafietsubstraten met een SiC-coating worden vaak gebruikt om enkelkristalsubstraten te ondersteunen en te verwarmen in MOCVD-apparatuur (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). De thermische stabiliteit, thermische uniformiteit en andere prestatieparameters van het SiC-gecoate grafietsubstraat spelen een cruciale rol in de kwaliteit van de epitaxiale materiaalgroei, waardoor het een essentieel onderdeel is van MOCVD-apparatuur.
Metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) is de meest gebruikte technologie voor de epitaxiale groei van GaN-films in blauwe LED's. De voordelen zijn onder andere een eenvoudige bediening, een regelbare groeisnelheid en een hoge zuiverheid van de GaN-films. Als belangrijk onderdeel van de reactiekamer van de MOCVD-apparatuur moet de draaglaag voor de epitaxiale groei van GaN-films eigenschappen bezitten zoals hoge temperatuurbestendigheid, uniforme thermische geleidbaarheid, goede chemische stabiliteit en een sterke thermische schokbestendigheid. Grafiet voldoet aan deze eisen.
Als een van de kerncomponenten van MOCVD-apparatuur dient de grafietbasis als drager en verwarmingselement voor het substraat. De kwaliteit ervan bepaalt direct de uniformiteit en zuiverheid van het filmmateriaal en heeft dus een directe invloed op de bereiding van de epitaxiale laag. Tegelijkertijd slijt de grafietbasis, door toenemend gebruik en veranderende werkomstandigheden, aanzienlijk en is daarom een verbruiksartikel.
Hoewel grafiet een uitstekende thermische geleidbaarheid en stabiliteit heeft en daardoor een groot voordeel biedt als basiscomponent van MOCVD-apparatuur, corrodeert het grafiet tijdens het productieproces het poeder door de achtergebleven corrosieve gassen en metaalorganische stoffen, waardoor de levensduur van de grafietbasis aanzienlijk wordt verkort. Bovendien kan het neervallende grafietpoeder de chips vervuilen.
De opkomst van coatingtechnologie kan zorgen voor fixatie van poeder aan het oppervlak, verbetering van de thermische geleidbaarheid en een gelijkmatige warmteverdeling. Dit is uitgegroeid tot de belangrijkste technologie om dit probleem op te lossen. In de gebruiksomgeving van MOCVD-apparatuur moet de oppervlaktecoating van de grafietbasis aan de volgende kenmerken voldoen:
(1) De grafietbasis kan volledig worden omwikkeld en de dichtheid is goed, anders corrodeert de grafietbasis gemakkelijk in het corrosieve gas.
(2) De hechtsterkte met de grafietbasis is hoog, zodat de coating niet gemakkelijk loslaat na meerdere cycli van hoge en lage temperaturen.
(3) Het heeft een goede chemische stabiliteit om coatingfalen bij hoge temperaturen en in een corrosieve atmosfeer te voorkomen.
SiC heeft als voordelen corrosiebestendigheid, hoge thermische geleidbaarheid, thermische schokbestendigheid en hoge chemische stabiliteit, en kan goed functioneren in een epitaxiale GaN-omgeving. Bovendien verschilt de thermische uitzettingscoëfficiënt van SiC nauwelijks van die van grafiet, waardoor SiC het voorkeursmateriaal is voor de oppervlaktecoating van grafiet.
Momenteel bestaat het meest voorkomende SiC voornamelijk uit de typen 3C, 4H en 6H, en de toepassingen van de verschillende kristaltypen verschillen. Zo kan 4H-SiC bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van hoogvermogencomponenten; 6H-SiC is het meest stabiel en kan worden gebruikt voor de productie van fotovoltaïsche componenten; vanwege de structuur die vergelijkbaar is met die van GaN, kan 3C-SiC worden gebruikt voor de productie van GaN-epitaxiale lagen en de fabricage van SiC-GaN RF-componenten. 3C-SiC staat ook bekend als β-SiC, en een belangrijk gebruik van β-SiC is als film- en coatingmateriaal, waardoor β-SiC momenteel het belangrijkste coatingmateriaal is.
Werkwijze voor het bereiden van een siliciumcarbidecoating
Momenteel omvatten de bereidingsmethoden voor SiC-coatings hoofdzakelijk de gel-solmethode, de inbeddingsmethode, de borstelcoatingmethode, de plasmaspuitmethode, de chemische gasreactiemethode (CVR) en de chemische dampafzettingsmethode (CVD).
Inbeddingsmethode:
De methode is een vorm van hogetemperatuur-vastefase-sinteren, waarbij hoofdzakelijk een mengsel van Si-poeder en C-poeder als inbeddingspoeder wordt gebruikt. De grafietmatrix wordt in het inbeddingspoeder geplaatst en het sinteren bij hoge temperatuur in een inert gas wordt uitgevoerd, waarna uiteindelijk een SiC-coating op het oppervlak van de grafietmatrix wordt verkregen. Het proces is eenvoudig en de hechting tussen de coating en het substraat is goed, maar de uniformiteit van de coating in de dikterichting is slecht, waardoor er gemakkelijk gaten ontstaan en de oxidatieweerstand afneemt.
Kwastmethode voor het aanbrengen van de coating:
Bij de kwastcoatingmethode wordt de vloeibare grondstof hoofdzakelijk op het oppervlak van de grafietmatrix aangebracht met een kwast, waarna de grondstof bij een bepaalde temperatuur uithardt om de coating te vormen. Het proces is eenvoudig en de kosten zijn laag, maar de coating die met de kwastcoatingmethode wordt aangebracht, hecht zwak aan het substraat, de coating is ongelijkmatig, de coating is dun en de oxidatieweerstand is laag. Daarom zijn andere methoden nodig om de coating te versterken.
Plasmaspuitmethode:
De plasmaspuitmethode houdt hoofdzakelijk in dat gesmolten of halfgesmolten grondstoffen met een plasmapistool op het oppervlak van de grafietmatrix worden gespoten, waarna deze stollen en zich hechten tot een coating. De methode is eenvoudig uit te voeren en kan een relatief dichte siliciumcarbidecoating opleveren. De siliciumcarbidecoating die met deze methode wordt vervaardigd, is echter vaak te zwak en heeft een lage oxidatieweerstand. Daarom wordt deze methode over het algemeen gebruikt voor de bereiding van SiC-composietcoatings om de kwaliteit van de coating te verbeteren.
Gel-sol-methode:
De gel-solmethode houdt hoofdzakelijk in dat een uniforme en transparante soloplossing wordt bereid die het oppervlak van de matrix bedekt, vervolgens wordt gedroogd tot een gel en daarna gesinterd om een coating te verkrijgen. Deze methode is eenvoudig in gebruik en goedkoop, maar de geproduceerde coating heeft enkele nadelen, zoals een lage thermische schokbestendigheid en de neiging tot scheurvorming, waardoor deze methode niet op grote schaal kan worden toegepast.
Chemische gasreactie (CVR):
CVR produceert voornamelijk SiC-coatings door Si- en SiO2-poeder te gebruiken om bij hoge temperatuur SiO-damp te genereren, waarbij een reeks chemische reacties plaatsvindt op het oppervlak van het C-substraat. De SiC-coating die met deze methode wordt verkregen, hecht zich sterk aan het substraat, maar de reactietemperatuur is hoger en de kosten zijn hoger.
Chemische dampafzetting (CVD):
Momenteel is CVD de belangrijkste technologie voor het aanbrengen van SiC-coatings op het substraatoppervlak. Het proces bestaat uit een reeks fysische en chemische reacties van gasvormige reactanten op het substraatoppervlak, waarna de SiC-coating door afzetting op het substraat wordt gevormd. De met CVD-technologie aangebrachte SiC-coating hecht zich sterk aan het substraatoppervlak, wat de oxidatie- en slijtagebestendigheid van het substraatmateriaal aanzienlijk verbetert. De afzettingstijd van deze methode is echter langer en het reactiegas bevat giftige stoffen.
De marktsituatie van SiC-gecoate grafietbasis
Toen buitenlandse fabrikanten vroeg met de productie begonnen, hadden ze een duidelijke voorsprong en een groot marktaandeel. Internationaal gezien zijn de belangrijkste leveranciers van SiC-gecoate grafietbasis het Nederlandse Xycard, het Duitse SGL Carbon (SGL), het Japanse Toyo Carbon, het Amerikaanse MEMC en andere bedrijven, die in principe de internationale markt domineren. Hoewel China de cruciale kerntechnologie voor de uniforme groei van SiC-coating op het oppervlak van de grafietmatrix heeft doorbroken, is de productie van hoogwaardige grafietmatrix nog steeds afhankelijk van bedrijven zoals het Duitse SGL, het Japanse Toyo Carbon en andere. De door binnenlandse bedrijven geleverde grafietmatrix heeft echter een beperkte levensduur vanwege problemen met de thermische geleidbaarheid, elasticiteitsmodulus, stijfheidsmodulus, roosterdefecten en andere kwaliteitsgebreken. De MOCVD-apparatuur voldoet dan ook niet aan de eisen voor het gebruik van SiC-gecoate grafietbasis.
De Chinese halfgeleiderindustrie ontwikkelt zich snel. Door de geleidelijke toename van de lokalisatiegraad van MOCVD-epitaxiale apparatuur en de uitbreiding van andere procesapplicaties, wordt verwacht dat de markt voor SiC-gecoate grafietproducten in de toekomst snel zal groeien. Volgens voorlopige schattingen van de sector zal de binnenlandse markt voor grafietproducten de komende jaren de 500 miljoen yuan overschrijden.
SiC-gecoate grafietbasis is de kerncomponent van apparatuur voor de industrialisatie van samengestelde halfgeleiders. Het beheersen van de essentiële kerntechnologie voor de productie en fabricage ervan, en het realiseren van de lokalisatie van de gehele grondstoffen-, proces- en apparatuurketen, is van groot strategisch belang voor de ontwikkeling van de Chinese halfgeleiderindustrie. De binnenlandse markt voor SiC-gecoate grafietbasis is in opkomst en de productkwaliteit kan binnenkort het internationale topniveau bereiken.
Geplaatst op: 24 juli 2023