Bazy grafitowe pokryte SiC są powszechnie stosowane do podtrzymywania i podgrzewania monokrystalicznych podłoży w urządzeniach do osadzania chemicznego z fazy gazowej metali i związków organicznych (MOCVD). Stabilność termiczna, jednorodność termiczna i inne parametry eksploatacyjne bazy grafitowej pokrytej SiC odgrywają decydującą rolę w jakości epitaksjalnego wzrostu materiału, dlatego jest ona kluczowym elementem urządzeń MOCVD.
W procesie produkcji płytek półprzewodnikowych, na niektórych podłożach płytek nanoszone są warstwy epitaksjalne, aby ułatwić produkcję urządzeń. Typowe diody LED wymagają przygotowania warstw epitaksjalnych GaAs na podłożach krzemowych. Warstwa epitaksjalna SiC jest wytwarzana na przewodzącym podłożu SiC w celu budowy urządzeń takich jak SBD, MOSFET itp., do zastosowań wysokonapięciowych, wysokoprądowych i innych zastosowań mocy. Warstwa epitaksjalna GaN jest wytwarzana na półizolowanym podłożu SiC w celu dalszej budowy tranzystorów HEMT i innych urządzeń do zastosowań RF, takich jak komunikacja. Proces ten jest nierozerwalnie związany z urządzeniami CVD.
W urządzeniach CVD podłoże nie może być bezpośrednio umieszczone na metalu ani umieszczone na podstawie do osadzania epitaksjalnego, ponieważ wiąże się to z przepływem gazu (poziomym, pionowym), temperaturą, ciśnieniem, utrwalaniem, usuwaniem zanieczyszczeń i innymi czynnikami wpływającymi. Dlatego potrzebna jest podstawa, a następnie podłoże jest umieszczane na dysku, a następnie przeprowadzane jest osadzanie epitaksjalne na podłożu za pomocą technologii CVD. Ta podstawa to grafitowa podstawa pokryta SiC (znana również jako taca).
Bazy grafitowe pokryte SiC są powszechnie stosowane do podtrzymywania i podgrzewania monokrystalicznych podłoży w urządzeniach do osadzania chemicznego z fazy gazowej metali i związków organicznych (MOCVD). Stabilność termiczna, jednorodność termiczna i inne parametry eksploatacyjne bazy grafitowej pokrytej SiC odgrywają decydującą rolę w jakości epitaksjalnego wzrostu materiału, dlatego jest ona kluczowym elementem urządzeń MOCVD.
Metaloorganiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MOCVD) to wiodąca technologia epitaksjalnego wzrostu warstw GaN w niebieskich diodach LED. Jej zaletami są prostota obsługi, kontrolowane tempo wzrostu i wysoka czystość warstw GaN. Podstawa nośna, będąca ważnym elementem komory reakcyjnej urządzeń MOCVD, stosowana do epitaksjalnego wzrostu warstw GaN, musi charakteryzować się wysoką odpornością na temperaturę, równomiernym przewodnictwem cieplnym, dobrą stabilnością chemiczną, wysoką odpornością na szok termiczny itp. Materiał grafitowy może spełniać powyższe warunki.
Jako jeden z głównych komponentów urządzeń MOCVD, baza grafitowa jest nośnikiem i elementem grzejnym podłoża, który bezpośrednio decyduje o jednorodności i czystości materiału filmowego, a zatem jej jakość bezpośrednio wpływa na przygotowanie warstwy epitaksjalnej. Jednocześnie, wraz ze wzrostem liczby zastosowań i zmianą warunków pracy, jest ona bardzo łatwa do zużycia, należąc do materiałów eksploatacyjnych.
Chociaż grafit charakteryzuje się doskonałą przewodnością cieplną i stabilnością, ma on dużą zaletę jako podstawowy składnik urządzeń MOCVD. Jednak w procesie produkcyjnym grafit powoduje korozję proszku z powodu pozostałości gazów korozyjnych i związków metaloorganicznych, co znacznie skraca żywotność bazy grafitowej. Jednocześnie opadający proszek grafitowy zanieczyszcza wióry.
Rozwój technologii powłokowej umożliwia utrwalanie proszku powierzchniowego, poprawę przewodności cieplnej i wyrównywanie rozkładu ciepła, co stało się główną technologią rozwiązującą ten problem. W środowisku użytkowania urządzeń MOCVD, powłoka powierzchniowa na bazie grafitu powinna spełniać następujące cechy:
(1) Podstawę grafitową można całkowicie owinąć, a gęstość jest dobra, w przeciwnym razie podstawa grafitowa łatwo ulega korozji w gazie korozyjnym.
(2) Wytrzymałość połączenia z bazą grafitową jest wysoka, co gwarantuje, że powłoka nie odpadnie łatwo po kilku cyklach wysokiej i niskiej temperatury.
(3) Posiada dobrą stabilność chemiczną, co zapobiega uszkodzeniu powłoki w wysokiej temperaturze i środowisku korozyjnym.
SiC charakteryzuje się odpornością na korozję, wysoką przewodnością cieplną, odpornością na szok termiczny oraz wysoką stabilnością chemiczną i może dobrze funkcjonować w atmosferze epitaksjalnej GaN. Ponadto, współczynnik rozszerzalności cieplnej SiC nieznacznie różni się od współczynnika rozszerzalności cieplnej grafitu, dlatego SiC jest preferowanym materiałem do powlekania powierzchni baz grafitowych.
Obecnie powszechnie stosowanym węglikiem krzemu (SiC) są głównie typy 3C, 4H i 6H, a zastosowania SiC w różnych typach kryształów są różne. Na przykład, 4H-SiC może być stosowany do produkcji urządzeń dużej mocy; 6H-SiC jest najbardziej stabilny i nadaje się do produkcji urządzeń fotoelektrycznych; ze względu na podobieństwo struktury do GaN, 3C-SiC może być używany do produkcji warstwy epitaksjalnej GaN oraz do produkcji urządzeń RF SiC-GaN. 3C-SiC jest również powszechnie znany jako β-SiC, a ważnym zastosowaniem β-SiC jest materiał do produkcji filmów i powłok, dlatego β-SiC jest obecnie głównym materiałem do powlekania.
Metoda przygotowania powłoki z węglika krzemu
Obecnie metody przygotowywania powłok SiC obejmują głównie metodę żel-sol, metodę osadzania, metodę powlekania pędzlem, metodę natryskiwania plazmowego, metodę reakcji chemicznej gazu (CVR) i metodę osadzania chemicznego z fazy gazowej (CVD).
Metoda osadzania:
Metoda ta jest rodzajem wysokotemperaturowego spiekania w fazie stałej, w którym jako proszek do zatapiania stosuje się głównie mieszaninę proszku Si i proszku C. Osad grafitowy umieszcza się w proszku do zatapiania, a spiekanie wysokotemperaturowe przeprowadza się w atmosferze gazu obojętnego. Na powierzchni osnowy grafitowej uzyskuje się powłokę SiC. Proces jest prosty, a połączenie powłoki z podłożem jest dobre, jednak jednorodność powłoki wzdłuż jej grubości jest słaba, co sprzyja powstawaniu większej liczby otworów i prowadzi do niskiej odporności na utlenianie.
Metoda powlekania pędzlem:
Metoda powlekania szczotkowego polega głównie na nałożeniu płynnego surowca na powierzchnię matrycy grafitowej, a następnie utwardzeniu go w określonej temperaturze w celu przygotowania powłoki. Proces jest prosty i niedrogi, jednak powłoka przygotowana metodą powlekania szczotkowego jest słaba w połączeniu z podłożem, charakteryzuje się niską jednorodnością, cienką warstwą i niską odpornością na utlenianie, dlatego konieczne jest zastosowanie innych metod wspomagających.
Metoda natryskiwania plazmowego:
Metoda natryskiwania plazmowego polega głównie na natryskiwaniu stopionych lub częściowo stopionych surowców na powierzchnię matrycy grafitowej za pomocą pistoletu plazmowego, a następnie ich zestalaniu i wiązaniu w celu utworzenia powłoki. Metoda jest prosta w obsłudze i pozwala na uzyskanie stosunkowo gęstej powłoki z węglika krzemu, jednak powłoka z węglika krzemu przygotowana tą metodą jest często zbyt słaba, co prowadzi do niskiej odporności na utlenianie, dlatego jest ona powszechnie stosowana do wytwarzania powłok kompozytowych SiC w celu poprawy jakości powłoki.
Metoda żel-sol:
Metoda żel-sol polega głównie na przygotowaniu jednolitego i przezroczystego roztworu zolu pokrywającego powierzchnię matrycy, wysychaniu do postaci żelu, a następnie spiekaniu w celu uzyskania powłoki. Metoda ta jest prosta w obsłudze i tania, jednak uzyskana powłoka ma pewne wady, takie jak niska odporność na szok termiczny i łatwe pękanie, przez co nie może być szeroko stosowana.
Reakcja chemiczna gazu (CVR):
Metoda CVR polega głównie na wytwarzaniu powłoki SiC za pomocą proszku Si i SiO2 w celu wytworzenia pary SiO w wysokiej temperaturze. Na powierzchni podłoża z materiału C zachodzi szereg reakcji chemicznych. Powłoka SiC przygotowana tą metodą jest ściśle związana z podłożem, ale temperatura reakcji jest wyższa, a koszt wyższy.
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD):
Obecnie CVD jest główną technologią wytwarzania powłoki SiC na powierzchni podłoża. Główny proces polega na serii reakcji fizycznych i chemicznych materiału reagującego w fazie gazowej na powierzchni podłoża, a następnie na osadzaniu powłoki SiC na powierzchni podłoża. Powłoka SiC wytwarzana technologią CVD jest ściśle związana z powierzchnią podłoża, co może skutecznie poprawić odporność na utlenianie i ablację materiału podłoża. Jednak czas osadzania tej metody jest dłuższy, a gaz reakcyjny zawiera pewną ilość toksycznych substancji.
Sytuacja rynkowa baz grafitowych powlekanych SiC
Gdy zagraniczni producenci rozpoczęli działalność na wczesnym etapie, mieli wyraźną przewagę i wysoki udział w rynku. Na arenie międzynarodowej głównymi dostawcami grafitu pokrytego SiC są holenderski Xycard, niemiecki SGL Carbon (SGL), japoński Toyo Carbon, amerykański MEMC i inne firmy, które zasadniczo zajmują rynek międzynarodowy. Chociaż Chiny przełamały kluczową technologię równomiernego narastania powłoki SiC na powierzchni matrycy grafitowej, wysokiej jakości matryca grafitowa nadal opiera się na niemieckich SGL, japońskim Toyo Carbon i innych przedsiębiorstwach. Matryca grafitowa dostarczana przez krajowe przedsiębiorstwa wpływa na żywotność ze względu na przewodność cieplną, moduł sprężystości, moduł sztywności, wady sieci i inne problemy jakościowe. Urządzenia MOCVD nie są w stanie spełnić wymagań dotyczących stosowania grafitu pokrytego SiC.
Chiński przemysł półprzewodników rozwija się dynamicznie, wraz ze stopniowym wzrostem szybkości lokalizacji urządzeń epitaksjalnych MOCVD oraz ekspansją innych zastosowań procesowych, co pozwala oczekiwać dynamicznego wzrostu przyszłego rynku produktów na bazie grafitu powlekanego SiC. Według wstępnych szacunków branżowych, krajowy rynek na bazie grafitu przekroczy 500 milionów juanów w ciągu najbliższych kilku lat.
Baza grafitowa pokryta SiC jest kluczowym elementem urządzeń do industrializacji półprzewodników złożonych. Opanowanie kluczowej technologii produkcji i wytwarzania oraz zrozumienie lokalizacji całego łańcucha surowcowo-procesowo-sprzętowego ma ogromne znaczenie strategiczne dla zapewnienia rozwoju chińskiego przemysłu półprzewodnikowego. Krajowa branża baz grafitowych pokrytych SiC dynamicznie się rozwija, a jakość produktów może wkrótce osiągnąć poziom międzynarodowy.
Czas publikacji: 24 lipca 2023 r.