Componentes semicondutores – base de grafite revestida com SiC

Bases de grafite revestidas com SiC são comumente usadas para suportar e aquecer substratos monocristalinos em equipamentos de deposição química de vapor metalorgânica (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, um componente-chave essencial do equipamento MOCVD.

No processo de fabricação de wafers, camadas epitaxiais são depositadas sobre alguns substratos para facilitar a produção de dispositivos. Dispositivos emissores de luz (LEDs) típicos requerem a deposição de camadas epitaxiais de GaAs sobre substratos de silício; a camada epitaxial de SiC é depositada sobre o substrato condutor de SiC para a construção de dispositivos como diodos Schottky (SBDs), MOSFETs, etc., para aplicações de alta tensão, alta corrente e outras potências; a camada epitaxial de GaN é depositada sobre o substrato semi-isolante de SiC para a construção de HEMTs e outros dispositivos para aplicações de radiofrequência (RF), como comunicação. Este processo é inseparável dos equipamentos de deposição química em fase vapor (CVD).

Nos equipamentos de CVD, o substrato não pode ser colocado diretamente sobre o metal ou simplesmente posicionado sobre uma base para deposição epitaxial, pois isso envolve o fluxo de gás (horizontal, vertical), temperatura, pressão, fixação, desprendimento de poluentes e outros fatores que influenciam o processo. Portanto, é necessária uma base, sobre a qual o substrato é colocado, e então a deposição epitaxial é realizada utilizando a tecnologia CVD. Essa base é um disco de grafite revestido com SiC (também conhecido como bandeja).

Bases de grafite revestidas com SiC são comumente usadas para suportar e aquecer substratos monocristalinos em equipamentos de deposição química de vapor metalorgânica (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, um componente-chave essencial do equipamento MOCVD.

A deposição química de vapor metalorgânica (MOCVD) é a tecnologia predominante para o crescimento epitaxial de filmes de GaN em LEDs azuis. Ela apresenta vantagens como 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 suporte utilizada para o crescimento epitaxial do filme de GaN precisa apresentar características como alta resistência à temperatura, condutividade térmica uniforme, boa estabilidade química e forte resistência ao choque térmico. O grafite atende a esses requisitos.

Como um dos componentes principais do equipamento MOCVD, a base de grafite serve como suporte e corpo de aquecimento do substrato, determinando diretamente a uniformidade e a pureza do material do filme. Portanto, 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, ela se desgasta com muita facilidade, sendo considerada um material consumível.

Embora o grafite possua excelente condutividade térmica e estabilidade, sendo uma ótima opção como componente base para equipamentos MOCVD, durante o processo de produção, o pó de grafite sofre corrosão devido aos resíduos de gases corrosivos e compostos orgânicos metálicos, reduzindo significativamente a vida útil da base de grafite. Além disso, a queda de pó de grafite contamina o chip.

O surgimento da tecnologia de revestimento permite a fixação do pó na superfície, melhora a condutividade térmica e equaliza a distribuição de calor, tornando-se a principal tecnologia para solucionar esse problema. Em ambientes de uso de equipamentos MOCVD à base de grafite, o revestimento superficial 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 é facilmente corroída no gás corrosivo.

(2) A resistência da combinação com a base de grafite é alta para garantir que o revestimento não se desprenda 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 apresenta vantagens como resistência à corrosão, alta condutividade térmica, resistência ao choque térmico e alta estabilidade química, podendo funcionar bem em atmosfera epitaxial de GaN. Além disso, o coeficiente de expansão térmica do SiC difere muito pouco do do grafite, tornando-o o material preferido para revestimento superficial de bases de grafite.

Atualmente, os tipos mais comuns de SiC são 3C, 4H e 6H, e as aplicações de cada tipo cristalino variam. Por exemplo, o 4H-SiC pode ser usado na fabricação de dispositivos de alta potência; o 6H-SiC é o mais estável e pode ser usado na fabricação de dispositivos fotoelétricos; devido à sua estrutura semelhante à do GaN, o 3C-SiC pode ser usado para produzir camadas epitaxiais de GaN e fabricar dispositivos de radiofrequência (RF) de SiC-GaN. O 3C-SiC também é conhecido como β-SiC, e uma importante aplicação do β-SiC é como material para filmes e revestimentos, sendo atualmente o principal material para revestimentos.

Método para preparar revestimento de carbeto 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 por plasma, o método de reação química a gás (CVR) e o método de deposição química de vapor (CVD).

Método de incorporação:

O método consiste em um tipo de sinterização em fase sólida a alta temperatura, que utiliza principalmente uma mistura de pó de Si e pó de C como material de encapsulamento. A matriz de grafite é colocada nesse material e a sinterização a alta temperatura é realizada em atmosfera inerte, resultando na obtenção de um revestimento de SiC na superfície da matriz de grafite. O processo é simples e a adesão entre o revestimento e o substrato é boa, porém a uniformidade do revestimento ao longo da espessura é baixa, o que facilita a formação de poros e leva a uma menor resistência à oxidação.

Método de revestimento com pincel:

O método de revestimento por pincel consiste principalmente em aplicar a matéria-prima líquida sobre a superfície da matriz de grafite, seguida da cura da matéria-prima a uma determinada temperatura para preparar o revestimento. O processo é simples e de baixo custo, porém o revestimento preparado por esse método apresenta baixa aderência ao substrato, uniformidade deficiente, espessura reduzida e baixa resistência à oxidação, sendo necessários outros métodos para auxiliá-lo.

Método de aspersão por plasma:

O método de aspersão por plasma consiste principalmente em pulverizar matérias-primas fundidas ou semifundidas sobre a superfície da matriz de grafite com uma pistola de plasma, que então solidificam e se ligam para formar um revestimento. O método é simples de operar e permite a preparação de um revestimento de carbeto de silício relativamente denso, porém, o revestimento de carbeto de silício preparado por este método costuma ser muito frágil e apresenta baixa resistência à oxidação. Por isso, geralmente é utilizado na preparação de revestimentos compósitos de SiC para melhorar a qualidade do revestimento.

Método gel-sol:

O método gel-sol consiste principalmente em preparar uma solução 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 desvantagens, como baixa resistência ao choque térmico e facilidade de fissuração, o que limita seu uso generalizado.

Reação Química de Gás (CVR):

A tecnologia CVR gera principalmente revestimentos de SiC utilizando pó de Si e SiO2 para produzir vapor de SiO em alta temperatura, onde uma série de reações químicas ocorre na superfície do substrato de carbono. O revestimento de SiC preparado por este método apresenta forte adesão ao substrato, porém a temperatura de reação é mais elevada, o que aumenta o custo.

Deposição Química de Vapor (CVD):

Atualmente, a deposição química em fase vapor (CVD) é a principal tecnologia para preparar revestimentos de SiC na superfície do substrato. O processo principal consiste em uma série de reações físico-químicas de um reagente em fase gasosa na superfície do substrato, resultando na deposição do revestimento de SiC. O revestimento de SiC preparado pela tecnologia CVD adere fortemente à superfície do substrato, o que pode melhorar efetivamente a resistência à oxidação e à abrasão do material do substrato. No entanto, o tempo de deposição desse método é mais longo e o gás de reação contém uma certa quantidade de gases tóxicos.

Situação de mercado da base de grafite revestida com SiC

Quando os fabricantes estrangeiros começaram cedo, eles tinham uma clara vantagem e uma alta participação de mercado. Internacionalmente, os principais fornecedores de base de grafite revestida com SiC são a holandesa Xycard, a alemã SGL Carbon (SGL), a japonesa Toyo Carbon, a americana MEMC e outras empresas, que basicamente dominam o mercado internacional. Embora a China tenha superado a tecnologia essencial de crescimento uniforme do revestimento de SiC na superfície da matriz de grafite, a matriz de grafite de alta qualidade ainda depende de empresas alemãs como a SGL e a japonesa Toyo Carbon. A matriz de grafite fornecida por empresas nacionais afeta a vida útil devido a problemas de condutividade térmica, módulo de elasticidade, módulo de rigidez, defeitos na estrutura cristalina e outros defeitos. Os equipamentos MOCVD não atendem aos requisitos para o uso de base de grafite revestida com SiC.

A indústria de semicondutores da China está se desenvolvendo rapidamente, com o aumento gradual da taxa de localização de equipamentos de epitaxia MOCVD e a expansão de outras aplicações de processos. Espera-se que o mercado futuro de produtos à base de grafite revestidos com SiC cresça rapidamente. De acordo com estimativas preliminares do setor, o mercado doméstico de produtos à base de grafite ultrapassará 500 milhões de yuans nos próximos anos.

A base de grafite revestida com SiC é o componente central dos equipamentos de industrialização de semicondutores compostos. Dominar a tecnologia essencial para sua produção e fabricação, e alcançar a localização de toda a cadeia produtiva, desde a matéria-prima até o processo e os equipamentos, é de grande importância estratégica para garantir o desenvolvimento da indústria de semicondutores na China. O mercado nacional de base de grafite revestida com SiC está em plena expansão, e a qualidade do produto poderá em breve atingir o nível internacional.