Bazele de grafit acoperite cu SiC sunt utilizate în mod obișnuit pentru a susține și încălzi substraturile monocristaline în echipamentele de depunere chimică în fază de vapori metalo-organică (MOCVD). Stabilitatea termică, uniformitatea termică și alți parametri de performanță ai bazei de grafit acoperite cu SiC joacă un rol decisiv în calitatea creșterii materialului epitaxial, fiind astfel componenta cheie a echipamentelor MOCVD.
În procesul de fabricare a napolitanelor, straturile epitaxiale sunt construite suplimentar pe unele substraturi de napolitane pentru a facilita fabricarea dispozitivelor. Dispozitivele tipice care emit lumină LED necesită pregătirea unor straturi epitaxiale de GaAs pe substraturi de siliciu; Stratul epitaxial de SiC este crescut pe substratul conductiv de SiC pentru construirea de dispozitive precum SBD, MOSFET etc., pentru aplicații de înaltă tensiune, curent ridicat și alte aplicații de putere; Stratul epitaxial de GaN este construit pe un substrat semiizolat de SiC pentru a construi în continuare HEMT și alte dispozitive pentru aplicații RF, cum ar fi comunicațiile. Acest proces este inseparabil de echipamentele CVD.
În echipamentul CVD, substratul nu poate fi plasat direct pe metal sau pur și simplu plasat pe o bază pentru depunere epitaxială, deoarece implică fluxul de gaz (orizontal, vertical), temperatura, presiunea, fixarea, eliberarea poluanților și alți factori de influență. Prin urmare, este necesară o bază, apoi substratul este plasat pe disc, iar apoi depunerea epitaxială se efectuează pe substrat folosind tehnologia CVD, iar această bază este baza de grafit acoperită cu SiC (cunoscută și sub numele de tavă).
Bazele de grafit acoperite cu SiC sunt utilizate în mod obișnuit pentru a susține și încălzi substraturile monocristaline în echipamentele de depunere chimică în fază de vapori metalo-organică (MOCVD). Stabilitatea termică, uniformitatea termică și alți parametri de performanță ai bazei de grafit acoperite cu SiC joacă un rol decisiv în calitatea creșterii materialului epitaxial, fiind astfel componenta cheie a echipamentelor MOCVD.
Depunerea chimică de vapori metalo-organică (MOCVD) este tehnologia principală pentru creșterea epitaxială a peliculelor de GaN în LED-urile albastre. Aceasta prezintă avantajele funcționării simple, ale ratei de creștere controlabile și ale purității ridicate a peliculelor de GaN. Fiind o componentă importantă în camera de reacție a echipamentului MOCVD, baza rulmentului utilizată pentru creșterea epitaxială a peliculei de GaN trebuie să aibă avantajele rezistenței la temperaturi ridicate, conductivității termice uniforme, stabilității chimice bune, rezistenței puternice la șoc termic etc. Materialul de grafit poate îndeplini condițiile de mai sus.
Fiind una dintre componentele principale ale echipamentelor MOCVD, baza de grafit este purtătorul și corpul de încălzire al substratului, ceea ce determină direct uniformitatea și puritatea materialului pelicular, astfel încât calitatea sa afectează direct prepararea foii epitaxiale și, în același timp, odată cu creșterea numărului de utilizări și schimbarea condițiilor de lucru, este foarte ușor de purtat, aparținând consumabilelor.
Deși grafitul are o conductivitate termică și o stabilitate excelente, are un avantaj semnificativ ca și componentă de bază a echipamentelor MOCVD, însă în procesul de producție, grafitul va coroda pulberea din cauza reziduurilor de gaze corozive și substanțe organice metalice, iar durata de viață a bazei de grafit va fi redusă considerabil. În același timp, pulberea de grafit care cade va polua cipurile.
Apariția tehnologiei de acoperire poate asigura fixarea suprafeței pulberii, poate îmbunătăți conductivitatea termică și poate egaliza distribuția căldurii, devenind principala tehnologie pentru rezolvarea acestei probleme. În mediul de utilizare a echipamentelor MOCVD, acoperirea suprafeței cu bază de grafit trebuie să îndeplinească următoarele caracteristici:
(1) Baza de grafit poate fi complet învelită, iar densitatea este bună, altfel baza de grafit este ușor de corodat în gazul coroziv.
(2) Rezistența combinată cu baza de grafit este ridicată pentru a asigura că stratul de acoperire nu se desprinde ușor după mai multe cicluri la temperaturi ridicate și scăzute.
(3) Are o bună stabilitate chimică pentru a evita deteriorarea stratului de acoperire la temperaturi ridicate și în atmosferă corozivă.
SiC are avantajele rezistenței la coroziune, conductivității termice ridicate, rezistenței la șocuri termice și stabilității chimice ridicate și poate funcționa bine în atmosferă epitaxială de GaN. În plus, coeficientul de dilatare termică al SiC diferă foarte puțin de cel al grafitului, așa că SiC este materialul preferat pentru acoperirea suprafeței bazei de grafit.
În prezent, SiC-ul comun este în principal de tip 3C, 4H și 6H, iar utilizările SiC pentru diferite tipuri de cristale sunt diferite. De exemplu, 4H-SiC poate fi utilizat pentru fabricarea de dispozitive de mare putere; 6H-SiC este cel mai stabil și poate fi utilizat pentru fabricarea de dispozitive fotoelectrice; Datorită structurii sale similare cu GaN, 3C-SiC poate fi utilizat pentru a produce un strat epitaxial de GaN și pentru fabricarea de dispozitive RF SiC-GaN. 3C-SiC este cunoscut și sub denumirea de β-SiC, iar o utilizare importantă a β-SiC este ca film și material de acoperire, astfel încât β-SiC este în prezent principalul material pentru acoperire.
Metodă de preparare a unui strat de carbură de siliciu
În prezent, metodele de preparare a acoperirii cu SiC includ în principal metoda gel-sol, metoda de încorporare, metoda de acoperire cu pensulă, metoda de pulverizare cu plasmă, metoda reacției chimice gazoase (CVR) și metoda depunerii chimice din vapori (CVD).
Metoda de încorporare:
Metoda este un tip de sinterizare în fază solidă la temperatură înaltă, care utilizează în principal un amestec de pulbere de Si și pulbere de C ca pulbere de încorporare, matricea de grafit este plasată în pulberea de încorporare, iar sinterizarea la temperatură înaltă este efectuată în gaz inert, iar în final se obține un strat de SiC pe suprafața matricei de grafit. Procesul este simplu, iar combinația dintre strat și substrat este bună, dar uniformitatea stratului de acoperire de-a lungul direcției grosimii este slabă, ceea ce face ușor să producă mai multe găuri și să ducă la o rezistență slabă la oxidare.
Metoda de acoperire cu pensula:
Metoda de acoperire cu pensula constă în principal în aplicarea materiei prime lichide cu pensula pe suprafața matricei de grafit, apoi întărirea materiei prime la o anumită temperatură pentru a prepara acoperirea. Procesul este simplu și costul este scăzut, dar acoperirea preparată prin metoda de acoperire cu pensula este slabă în combinație cu substratul, uniformitatea acoperirii este slabă, acoperirea este subțire și rezistența la oxidare este scăzută, fiind necesare alte metode pentru a o ajuta.
Metoda de pulverizare cu plasmă:
Metoda de pulverizare cu plasmă constă în principal în pulverizarea materiilor prime topite sau semi-topite pe suprafața matricei de grafit cu un pistol cu plasmă, apoi solidificarea și legarea formând un strat de acoperire. Metoda este simplu de utilizat și poate prepara un strat de acoperire din carbură de siliciu relativ dens, dar stratul de acoperire din carbură de siliciu preparat prin această metodă este adesea prea slab și duce la o rezistență slabă la oxidare, așa că este în general utilizată pentru prepararea straturilor compozite de SiC pentru a îmbunătăți calitatea stratului de acoperire.
Metoda gel-sol:
Metoda gel-sol constă în principal în prepararea unei soluții sol uniforme și transparente care acoperă suprafața matricei, uscarea într-un gel și apoi sinterizarea pentru a obține un strat de acoperire. Această metodă este simplu de utilizat și are un cost redus, dar stratul de acoperire produs are unele deficiențe, cum ar fi rezistența scăzută la șocuri termice și crăparea ușoară, deci nu poate fi utilizat pe scară largă.
Reacție chimică gazoasă (RCV):
CVR generează în principal acoperiri de SiC utilizând pulbere de Si și SiO2 pentru a genera abur de SiO la temperatură ridicată, iar o serie de reacții chimice au loc pe suprafața substratului de material C. Acoperirea de SiC preparată prin această metodă este strâns legată de substrat, dar temperatura de reacție este mai mare, iar costul este mai mare.
Depunere chimică din faza de vapori (CVD):
În prezent, CVD este principala tehnologie pentru prepararea acoperirilor cu SiC pe suprafața substratului. Procesul principal constă într-o serie de reacții fizice și chimice ale materialului reactant în fază gazoasă pe suprafața substratului, iar în final acoperirea cu SiC este preparată prin depunere pe suprafața substratului. Acoperirea cu SiC preparată prin tehnologia CVD este strâns lipită de suprafața substratului, ceea ce poate îmbunătăți eficient rezistența la oxidare și rezistența ablativă a materialului substrat, dar timpul de depunere al acestei metode este mai lung, iar gazul de reacție conține un anumit gaz toxic.
Situația pieței bazei de grafit acoperite cu SiC
Când producătorii străini au început devreme, aceștia aveau un avans clar și o cotă de piață mare. La nivel internațional, principalii furnizori de bază de grafit acoperită cu SiC sunt Xycard olandeză, SGL Carbon (SGL) germană, Toyo Carbon japoneză, MEMC americană și alte companii, care ocupă practic piața internațională. Deși China a reușit să depășească tehnologia cheie de creștere uniformă a acoperirii cu SiC pe suprafața matricei de grafit, matricea de grafit de înaltă calitate se bazează încă pe SGL germană, Toyo Carbon japoneză și alte întreprinderi, matricea de grafit furnizată de întreprinderile autohtone afectând durata de viață din cauza conductivității termice, a modulului de elasticitate, a modulului de rigiditate, a defectelor de rețea și a altor probleme de calitate. Echipamentul MOCVD nu poate îndeplini cerințele de utilizare a bazei de grafit acoperite cu SiC.
Industria semiconductorilor din China se dezvoltă rapid, odată cu creșterea treptată a ratei de localizare a echipamentelor epitaxiale MOCVD și extinderea altor aplicații de proces, se așteaptă ca piața viitoare a produselor pe bază de grafit acoperit cu SiC să crească rapid. Conform estimărilor preliminare ale industriei, piața internă a produselor pe bază de grafit va depăși 500 de milioane de yuani în următorii câțiva ani.
Baza de grafit acoperită cu SiC este componenta centrală a echipamentelor de industrializare a semiconductorilor compuși, stăpânirea tehnologiei cheie de producție și fabricație a acestora și realizarea localizării întregului lanț industrial materii prime-procesare-echipamente sunt de o mare importanță strategică pentru asigurarea dezvoltării industriei semiconductorilor din China. Domeniul grafitului acoperit cu SiC este în plină expansiune, iar calitatea produsului poate atinge în curând nivelul avansat internațional.
Data publicării: 24 iulie 2023