Halfgeleideronderdelen – SiC-gecoate grafietbasis

SiC-gecoate grafietbases worden vaak gebruikt voor het ondersteunen en verwarmen van monokristallijne substraten in MOCVD-apparatuur (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). De thermische stabiliteit, thermische uniformiteit en andere prestatieparameters van SiC-gecoate grafietbases spelen een doorslaggevende rol in de kwaliteit van de epitaxiale materiaalgroei en vormen daarom de belangrijkste component van MOCVD-apparatuur.

Tijdens de waferproductie worden op sommige wafersubstraten epitaxiale lagen aangebracht om de productie van apparaten te vergemakkelijken. Typische LED-lichtgevende apparaten moeten epitaxiale lagen van GaAs op siliciumsubstraten aanbrengen; de SiC-epitaxiale laag wordt aangebracht op het geleidende SiC-substraat voor de constructie van apparaten zoals SBD's, MOSFET's, enz., voor toepassingen met hoge spanning, hoge stroomsterkte en andere vermogens; de GaN-epitaxiale laag wordt aangebracht op een semi-geïsoleerd SiC-substraat voor de verdere constructie van HEMT's en andere apparaten voor RF-toepassingen zoals communicatie. Dit proces is onlosmakelijk verbonden met CVD-apparatuur.

Bij CVD-apparatuur kan het substraat niet direct op het metaal worden geplaatst of simpelweg op een basis voor epitaxiale depositie, omdat dit afhankelijk is van de gasstroom (horizontaal, verticaal), temperatuur, druk, fixatie, afgifte van verontreinigende stoffen en andere factoren. Daarom is een basis nodig, waarna het substraat op de schijf wordt geplaatst. Vervolgens wordt de epitaxiale depositie op het substraat uitgevoerd met behulp van CVD-technologie. Deze basis is de SiC-gecoate grafietbasis (ook wel de tray genoemd).

SiC-gecoate grafietbases worden vaak gebruikt voor het ondersteunen en verwarmen van monokristallijne substraten in MOCVD-apparatuur (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). De thermische stabiliteit, thermische uniformiteit en andere prestatieparameters van SiC-gecoate grafietbases spelen een doorslaggevende rol in de kwaliteit van de epitaxiale materiaalgroei en vormen daarom de belangrijkste component van MOCVD-apparatuur.

Metaalorganische chemische dampdepositie (MOCVD) is de belangrijkste technologie voor de epitaxiale groei van GaN-films in blauwe LED's. De voordelen hiervan zijn eenvoudige bediening, een regelbare groeisnelheid en een hoge zuiverheid van de GaN-films. Als belangrijk onderdeel van de reactiekamer van MOCVD-apparatuur moet de lagerbasis die wordt gebruikt voor epitaxiale groei van GaN-films, hoge temperatuurbestendigheid, uniforme thermische geleidbaarheid, goede chemische stabiliteit en sterke thermische schokbestendigheid bieden. Grafietmateriaal voldoet aan bovenstaande voorwaarden.

Grafietbasis is een van de belangrijkste onderdelen van MOCVD-apparatuur en vormt de drager en het verwarmingslichaam van het substraat. Dit bepaalt direct de uniformiteit en zuiverheid van het filmmateriaal. De kwaliteit ervan heeft dan ook direct invloed op de voorbereiding van het epitaxiale vel. Tegelijkertijd is het, met de toename van het aantal toepassingen en de verandering van werkomstandigheden, zeer gemakkelijk te dragen, omdat het tot de verbruiksartikelen behoort.

Hoewel grafiet een uitstekende thermische geleidbaarheid en stabiliteit heeft, biedt het een groot voordeel als basiscomponent van MOCVD-apparatuur. Tijdens het productieproces zal grafiet echter het poeder aantasten door de aanwezigheid van corrosieve gassen en organische metaaldeeltjes, waardoor de levensduur van de grafietbasis aanzienlijk wordt verkort. Tegelijkertijd zal het vallende grafietpoeder de chip verontreinigen.

De opkomst van coatingtechnologie kan zorgen voor poederfixatie op het oppervlak, verbetering van de thermische geleidbaarheid en egalisatie van de warmteverdeling, wat de belangrijkste technologie is geworden om dit probleem op te lossen. Grafietgebaseerde oppervlaktecoatings in MOCVD-apparatuur moeten aan de volgende eigenschappen voldoen:

(1) De grafietbasis kan volledig worden omwikkeld en de dichtheid is goed, anders kan de grafietbasis gemakkelijk corroderen in het corrosieve gas.

(2) De combinatiesterkte met de grafietbasis is hoog om ervoor te zorgen dat de coating niet gemakkelijk afvalt na verschillende hoge- en lagetemperatuurcycli.

(3) Het heeft een goede chemische stabiliteit om te voorkomen dat de coating faalt bij hoge temperaturen en in een corrosieve atmosfeer.

SiC heeft de voordelen van corrosiebestendigheid, hoge thermische geleidbaarheid, thermische schokbestendigheid en hoge chemische stabiliteit, en kan goed functioneren in een epitaxiale atmosfeer met GaN. Bovendien verschilt de thermische uitzettingscoëfficiënt van SiC nauwelijks van die van grafiet, waardoor SiC het voorkeursmateriaal is voor de oppervlaktecoating op grafietbasis.

Momenteel wordt SiC voornamelijk van het type 3C, 4H en 6H gebruikt, en de toepassingen van verschillende kristaltypen lopen uiteen. 4H-SiC kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van hoogvermogencomponenten; 6H-SiC is het meest stabiel en kan worden gebruikt voor de productie van foto-elektrische componenten; vanwege de vergelijkbare structuur met GaN kan 3C-SiC worden gebruikt voor de productie van epitaxiale GaN-lagen en SiC-GaN RF-componenten. 3C-SiC staat ook bekend als β-SiC. Een belangrijke toepassing van β-SiC is als film- en coatingmateriaal, waardoor β-SiC momenteel het belangrijkste materiaal voor coating is.

Werkwijze voor het bereiden van een siliciumcarbidecoating

De bereidingsmethoden voor SiC-coating omvatten momenteel hoofdzakelijk de gel-solmethode, de inbeddingsmethode, de borstelcoatingmethode, de plasmaspuitmethode, de chemische gasreactiemethode (CVR) en de chemische dampafzettingsmethode (CVD).

Inbeddingsmethode:

De methode is een soort vaste-fase-sintering bij hoge temperatuur, waarbij voornamelijk een mengsel van Si-poeder en C-poeder als inbedpoeder wordt gebruikt. De grafietmatrix wordt in het inbedpoeder geplaatst en het sinteren bij hoge temperatuur wordt uitgevoerd in een inert gas. Uiteindelijk wordt de SiC-coating op het oppervlak van de grafietmatrix aangebracht. Het proces is eenvoudig en de combinatie tussen de coating en het substraat is goed, maar de uniformiteit van de coating over de dikterichting is slecht, waardoor er gemakkelijk meer gaten ontstaan ​​en de oxidatieweerstand laag is.

Borstelcoatingmethode:

De borstelcoatingmethode bestaat voornamelijk uit het borstelen van de vloeibare grondstof op het oppervlak van de grafietmatrix en het vervolgens uitharden van de grondstof bij een bepaalde temperatuur om de coating te bereiden. Het proces is eenvoudig en goedkoop, maar de coating die met de borstelcoatingmethode wordt geproduceerd, is zwak in combinatie met het substraat, de uniformiteit van de coating is slecht, de coating is dun en de oxidatieweerstand is laag, en andere methoden zijn nodig om dit te ondersteunen.

Plasmaspuitmethode:

De plasmaspuitmethode bestaat voornamelijk uit het spuiten van gesmolten of halfgesmolten grondstoffen op het oppervlak van de grafietmatrix met een plasmapistool, waarna ze stollen en binden tot een coating. De methode is eenvoudig te gebruiken en kan een relatief dichte siliciumcarbidecoating produceren. De siliciumcarbidecoating die met deze methode wordt geproduceerd, is echter vaak te zwak en leidt tot een zwakke oxidatieweerstand. Daarom wordt deze methode over het algemeen gebruikt voor de productie van SiC-composietcoatings om de kwaliteit van de coating te verbeteren.

Gel-sol-methode:

De gel-solmethode bestaat voornamelijk uit het bereiden van een uniforme en transparante soloplossing die het oppervlak van de matrix bedekt, die vervolgens droogt tot een gel en vervolgens sint om een ​​coating te verkrijgen. Deze methode is eenvoudig te gebruiken en goedkoop, maar de geproduceerde coating heeft enkele tekortkomingen, zoals een lage thermische schokbestendigheid en gemakkelijk scheuren, waardoor deze niet breed toepasbaar is.

Chemische gasreactie (CVR):

CVR genereert voornamelijk SiC-coating door Si- en SiO2-poeder te gebruiken om SiO2-stoom te genereren bij hoge temperatuur. Op het oppervlak van het C-substraat vindt een reeks chemische reacties plaats. De SiC-coating die met deze methode wordt geproduceerd, hecht zich nauw aan het substraat, maar de reactietemperatuur is hoger en de kosten hoger.

Chemische dampdepositie (CVD):

Momenteel is CVD de belangrijkste technologie voor het aanbrengen van een SiC-coating op het substraatoppervlak. Het belangrijkste proces bestaat uit een reeks fysische en chemische reacties van het gasfase-reagensmateriaal op het substraatoppervlak, waarna de SiC-coating wordt aangebracht door middel van depositie op het substraatoppervlak. De SiC-coating die met CVD-technologie wordt aangebracht, hecht zich nauw aan het oppervlak van het substraat, wat de oxidatiebestendigheid en ablatieve weerstand van het substraatmateriaal effectief kan verbeteren. De depositietijd van deze methode is echter langer en het reactiegas bevat een bepaald giftig gas.

De marktsituatie van SiC-gecoate grafietbasis

Toen buitenlandse fabrikanten er vroeg bij waren, 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 bezetten. Hoewel China de belangrijkste kerntechnologie van uniforme groei van SiC-coating op het oppervlak van de grafietmatrix heeft doorbroken, is de productie van hoogwaardige grafietmatrixen nog steeds afhankelijk van het Duitse SGL, het Japanse Toyo Carbon en andere bedrijven. De grafietmatrix die door binnenlandse bedrijven wordt geleverd, beïnvloedt de levensduur als gevolg van thermische geleidbaarheid, elasticiteitsmodulus, stijfheidsmodulus, roosterdefecten en andere kwaliteitsproblemen. MOCVD-apparatuur voldoet niet aan de eisen voor het gebruik van SiC-gecoate grafietbasis.

De Chinese halfgeleiderindustrie ontwikkelt zich snel. Met de geleidelijke toename van de lokalisatiesnelheid van MOCVD-epitaxiale apparatuur en de uitbreiding van andere procestoepassingen, zal de toekomstige markt voor SiC-gecoate grafietproducten naar verwachting snel groeien. Volgens voorlopige schattingen van de industrie 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 belangrijkste kerntechnologie voor de productie en vervaardiging ervan, en het realiseren van de lokalisatie van de gehele keten van grondstoffen, processen en apparatuur, is van groot strategisch belang voor de ontwikkeling van de Chinese halfgeleiderindustrie. De binnenlandse markt voor SiC-gecoate grafietbasis is booming en de productkwaliteit kan binnenkort het internationale geavanceerde niveau bereiken.