Bases de grafite revestidas com SiC são comumente utilizadas para suportar e aquecer substratos monocristais em equipamentos de deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD). A estabilidade térmica, a uniformidade térmica e outros parâmetros de desempenho da base de grafite revestida com SiC desempenham um papel decisivo na qualidade do crescimento epitaxial do material, sendo, portanto, o principal componente do equipamento MOCVD.
No processo de fabricação de wafers, camadas epitaxiais são construídas em alguns substratos de wafer para facilitar a fabricação de dispositivos. Dispositivos emissores de luz LED típicos precisam preparar camadas epitaxiais de GaAs em substratos de silício; a camada epitaxial de SiC é cultivada no substrato de SiC condutor para a construção de dispositivos como SBD, MOSFET, etc., para aplicações de alta tensão, alta corrente e outras aplicações de energia; a camada epitaxial de GaN é construída em substrato de SiC semi-isolado para a construção de HEMT e outros dispositivos para aplicações de RF, como comunicação. Este processo é inseparável do equipamento CVD.
No equipamento CVD, o substrato não pode ser colocado diretamente sobre o metal ou simplesmente sobre uma base para deposição epitaxial, pois envolve o fluxo de gás (horizontal, vertical), temperatura, pressão, fixação, liberação de poluentes e outros aspectos dos fatores de influência. Portanto, é necessária uma base, e então o substrato é colocado sobre o disco, e a deposição epitaxial é realizada no substrato usando a tecnologia CVD, e essa base é a base de grafite revestida de SiC (também conhecida como bandeja).
Bases de grafite revestidas com SiC são comumente utilizadas para suportar e aquecer substratos monocristais em equipamentos de deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD). A estabilidade térmica, a uniformidade térmica e outros parâmetros de desempenho da base de grafite revestida com SiC desempenham um papel decisivo na qualidade do crescimento epitaxial do material, sendo, portanto, o principal componente do equipamento MOCVD.
A deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD) é a principal tecnologia para o crescimento epitaxial de filmes de GaN em LED azul. Apresenta as vantagens de operação simples, taxa de crescimento controlável e alta pureza dos filmes de GaN. Como um componente importante na câmara de reação do equipamento MOCVD, a base de apoio utilizada para o crescimento epitaxial de filmes de GaN precisa apresentar as vantagens de alta resistência à temperatura, condutividade térmica uniforme, boa estabilidade química, forte resistência ao choque térmico, etc. O material de grafite pode atender às condições acima.
Como um dos principais componentes do equipamento MOCVD, a base de grafite é o transportador e o corpo de aquecimento do substrato, que determina diretamente a uniformidade e a pureza do material do filme, de modo que sua qualidade afeta diretamente a preparação da folha epitaxial e, ao mesmo tempo, com o aumento do número de usos e a mudança das condições de trabalho, é muito fácil de desgastar, pertencendo aos consumíveis.
Embora o grafite tenha excelente condutividade térmica e estabilidade, ele apresenta uma boa vantagem como componente base de equipamentos MOCVD. No entanto, durante o processo de produção, o grafite corroerá o pó devido aos resíduos de gases corrosivos e compostos orgânicos metálicos, reduzindo significativamente a vida útil da base de grafite. Ao mesmo tempo, a queda do pó de grafite poluirá o chip.
O surgimento da tecnologia de revestimento pode proporcionar fixação de pó na superfície, aumentar a condutividade térmica e equalizar a distribuição de calor, tornando-se a principal tecnologia para solucionar esse problema. No ambiente de uso de equipamentos MOCVD, o revestimento de superfície à base de grafite deve atender às seguintes características:
(1) A base de grafite pode ser totalmente envolvida e a densidade é boa, caso contrário, a base de grafite pode ser facilmente corroída pelo gás corrosivo.
(2) A resistência da combinação com a base de grafite é alta para garantir que o revestimento não caia facilmente após vários ciclos de alta e baixa temperatura.
(3) Possui boa estabilidade química para evitar falhas no revestimento em altas temperaturas e atmosferas corrosivas.
O SiC possui as vantagens de resistência à corrosão, alta condutividade térmica, resistência ao choque térmico e alta estabilidade química, além de apresentar excelente desempenho em atmosfera epitaxial de GaN. Além disso, o coeficiente de expansão térmica do SiC difere muito pouco do da grafite, tornando-o o material preferido para o revestimento superficial à base de grafite.
Atualmente, o SiC comum é principalmente dos tipos 3C, 4H e 6H, e os usos de SiC para diferentes tipos de cristais são diferentes. Por exemplo, o 4H-SiC pode fabricar dispositivos de alta potência; o 6H-SiC é o mais estável e pode fabricar dispositivos fotoelétricos; devido à sua estrutura semelhante ao GaN, o 3C-SiC pode ser usado para produzir camadas epitaxiais de GaN e fabricar dispositivos de RF SiC-GaN. O 3C-SiC também é comumente conhecido como β-SiC, e um uso importante do β-SiC é como filme e material de revestimento, portanto, o β-SiC é atualmente o principal material para revestimento.
Método para preparação de revestimento de carboneto de silício
Atualmente, os métodos de preparação do revestimento de SiC incluem principalmente o método gel-sol, o método de incorporação, o método de revestimento por pincel, o método de pulverização de plasma, o método de reação química de gás (CVR) e o método de deposição química de vapor (CVD).
Método de incorporação:
O método é um tipo de sinterização em fase sólida de alta temperatura, que utiliza principalmente uma mistura de pó de Si e pó de C como pó de incorporação. A matriz de grafite é colocada no pó de incorporação e a sinterização em alta temperatura é realizada no gás inerte, obtendo-se, por fim, o revestimento de SiC na superfície da matriz de grafite. O processo é simples e a combinação entre o revestimento e o substrato é boa, mas a uniformidade do revestimento ao longo da direção da espessura é ruim, o que pode facilmente gerar mais furos e levar a uma baixa resistência à oxidação.
Método de revestimento com pincel:
O método de revestimento por escova consiste principalmente em aplicar a matéria-prima líquida sobre a superfície da matriz de grafite e, em seguida, curar a matéria-prima a uma determinada temperatura para preparar o revestimento. O processo é simples e de baixo custo, mas o revestimento preparado pelo método de revestimento por escova é fraco em combinação com o substrato, a uniformidade do revestimento é baixa, o revestimento é fino e a resistência à oxidação é baixa, sendo necessários outros métodos para auxiliá-lo.
Método de pulverização de plasma:
O método de pulverização de plasma consiste principalmente em pulverizar matérias-primas fundidas ou semifundidas sobre a superfície da matriz de grafite com uma pistola de plasma, solidificando-as e ligando-as para formar um revestimento. O método é simples de operar e pode produzir um revestimento de carboneto de silício relativamente denso, mas o revestimento de carboneto de silício preparado por esse método costuma ser muito fraco, resultando em baixa resistência à oxidação. Por isso, é geralmente utilizado na preparação de revestimentos compostos de SiC para melhorar a qualidade do revestimento.
Método gel-sol:
O método gel-sol consiste principalmente em preparar uma solução de sol uniforme e transparente que cobre a superfície da matriz, secando-a até formar um gel e, em seguida, sinterizando-a para obter um revestimento. Este método é simples de operar e de baixo custo, mas o revestimento produzido apresenta algumas deficiências, como baixa resistência ao choque térmico e fácil formação de fissuras, o que o torna inacessível.
Reação química de gás (CVR):
O CVR gera principalmente revestimentos de SiC utilizando pó de Si e SiO2 para gerar vapor de SiO em alta temperatura, e uma série de reações químicas ocorrem na superfície do substrato de material C. O revestimento de SiC preparado por esse método é fortemente ligado ao substrato, mas a temperatura de reação é mais alta e o custo também.
Deposição química de vapor (CVD):
Atualmente, a CVD é a principal tecnologia para a preparação de revestimentos de SiC na superfície do substrato. O processo principal consiste em uma série de reações físicas e químicas do material reagente em fase gasosa na superfície do substrato e, por fim, o revestimento de SiC é preparado por deposição na superfície do substrato. O revestimento de SiC preparado pela tecnologia CVD é fortemente ligado à superfície do substrato, o que pode efetivamente melhorar a resistência à oxidação e a resistência ablativa do material do substrato, mas o tempo de deposição deste método é mais longo e o gás de reação possui um certo gás tóxico.
A situação do mercado de base de grafite revestida de SiC
Os fabricantes estrangeiros, quando começaram a operar cedo, já tinham uma clara liderança e uma alta participação de mercado. Internacionalmente, os principais fornecedores de base de grafite revestida de SiC são a holandesa Xycard, a alemã SGL Carbon (SGL), a japonesa Toyo Carbon e a americana MEMC, entre outras empresas, que basicamente ocupam o mercado internacional. Embora a China tenha se destacado na tecnologia essencial de crescimento uniforme do revestimento de SiC na superfície da matriz de grafite, a matriz de grafite de alta qualidade ainda depende da alemã SGL, da japonesa Toyo Carbon e de outras empresas. A matriz de grafite fornecida por empresas nacionais afeta a vida útil devido à condutividade térmica, módulo de elasticidade, módulo de rigidez, defeitos de rede e outros problemas de qualidade. O equipamento MOCVD não atende aos requisitos de uso da base de grafite revestida de SiC.
A indústria chinesa de semicondutores está se desenvolvendo rapidamente, com o aumento gradual da taxa de localização de equipamentos epitaxiais MOCVD e a expansão de outras aplicações de processo. Espera-se que o futuro mercado de produtos à base de grafite revestidos de SiC cresça rapidamente. De acordo com estimativas preliminares da indústria, o mercado doméstico de base de grafite ultrapassará 500 milhões de yuans nos próximos anos.
A base de grafite revestida com SiC é o componente principal dos equipamentos de industrialização de semicondutores compostos. Dominar a tecnologia essencial de sua produção e fabricação, e realizar a localização de toda a cadeia da indústria de matéria-prima, processo e equipamentos, é de grande importância estratégica para garantir o desenvolvimento da indústria de semicondutores da China. O setor doméstico de base de grafite revestida com SiC está em expansão, e a qualidade do produto poderá atingir em breve o nível avançado internacional.
Data de publicação: 24 de julho de 2023