Графитовые подложки с покрытием из карбида кремния (SiC) широко используются для поддержки и нагрева монокристаллических подложек в оборудовании для металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD). Термическая стабильность, равномерность распределения тепла и другие параметры графитовой подложки с покрытием из SiC играют решающую роль в качестве эпитаксиального роста материала, поэтому она является ключевым компонентом оборудования MOCVD.
В процессе производства кремниевых пластин на некоторых подложках дополнительно формируются эпитаксиальные слои для облегчения изготовления устройств. Типичные светодиоды требуют подготовки эпитаксиальных слоев GaAs на кремниевых подложках; эпитаксиальный слой SiC выращивается на проводящей подложке SiC для создания таких устройств, как SBD, MOSFET и т. д., для высоковольтных, сильноточных и других силовых применений; эпитаксиальный слой GaN формируется на полуизолированной подложке SiC для дальнейшего создания HEMT и других устройств для радиочастотных применений, таких как связь. Этот процесс неотделим от оборудования CVD.
В оборудовании для химического осаждения из газовой фазы (CVD) подложку нельзя напрямую размещать на металле или просто на основании для эпитаксиального осаждения, поскольку это связано с влиянием газового потока (горизонтального, вертикального), температуры, давления, фиксации, удаления загрязняющих веществ и других факторов. Поэтому необходимо основание, на которое затем помещается подложка, после чего на подложку с помощью технологии CVD осуществляется эпитаксиальное осаждение. В качестве основания используется графитовое основание с покрытием из карбида кремния (также известное как лоток).
Графитовые подложки с покрытием из карбида кремния (SiC) широко используются для поддержки и нагрева монокристаллических подложек в оборудовании для металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD). Термическая стабильность, равномерность распределения тепла и другие параметры графитовой подложки с покрытием из SiC играют решающую роль в качестве эпитаксиального роста материала, поэтому она является ключевым компонентом оборудования MOCVD.
Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) является основной технологией эпитаксиального выращивания пленок GaN для синих светодиодов. Она обладает преимуществами простоты эксплуатации, контролируемой скорости роста и высокой чистоты пленок GaN. В качестве важного компонента реакционной камеры оборудования MOCVD, опорная конструкция, используемая для эпитаксиального выращивания пленок GaN, должна обладать такими преимуществами, как высокая термостойкость, равномерная теплопроводность, хорошая химическая стабильность, высокая термостойкость и т.д. Графитовый материал может соответствовать вышеуказанным условиям.
Графитовая основа, являясь одним из основных компонентов оборудования MOCVD, служит подложкой и нагревательным элементом, напрямую определяющим однородность и чистоту пленочного материала, поэтому ее качество напрямую влияет на получение эпитаксиального слоя. В то же время, с увеличением количества использований и изменением условий работы, она очень быстро изнашивается и относится к расходным материалам.
Несмотря на превосходную теплопроводность и стабильность, графит обладает значительными преимуществами в качестве базового компонента оборудования MOCVD, однако в процессе производства он вызывает коррозию порошка из-за остатков коррозионных газов и металлоорганических соединений, что значительно сокращает срок службы графитовой основы. Одновременно с этим, осыпающийся графитовый порошок загрязняет чип.
Появление технологий нанесения покрытий позволяет обеспечить фиксацию порошка на поверхности, повысить теплопроводность и выровнять распределение тепла, что стало основной технологией решения этой проблемы. В условиях эксплуатации оборудования MOCVD на основе графита, покрытие поверхности графитовым покрытием должно соответствовать следующим характеристикам:
(1) Графитовая основа может быть полностью обернута, и плотность хорошая, в противном случае графитовая основа легко подвергается коррозии в коррозионном газе.
(2) Прочность соединения с графитовой основой высока, что гарантирует, что покрытие не будет легко отслаиваться после нескольких циклов высоких и низких температур.
(3) Обладает хорошей химической стабильностью, что предотвращает разрушение покрытия при высоких температурах и в агрессивной атмосфере.
Карбид кремния (SiC) обладает такими преимуществами, как коррозионная стойкость, высокая теплопроводность, термостойкость и высокая химическая стабильность, и хорошо работает в эпитаксиальной атмосфере нитрида галлия (GaN). Кроме того, коэффициент теплового расширения SiC очень мало отличается от коэффициента теплового расширения графита, поэтому SiC является предпочтительным материалом для поверхностного покрытия графитовой основы.
В настоящее время наиболее распространенными типами SiC являются 3C, 4H и 6H, и применение SiC разных типов кристаллов различно. Например, 4H-SiC подходит для производства мощных устройств; 6H-SiC является наиболее стабильным и может использоваться для производства фотоэлектрических устройств; благодаря своей структуре, схожей с GaN, 3C-SiC может использоваться для получения эпитаксиального слоя GaN и производства ВЧ-устройств на основе SiC-GaN. 3C-SiC также широко известен как β-SiC, и важное применение β-SiC — это пленочные и покрывающие материалы, поэтому в настоящее время β-SiC является основным материалом для покрытий.
Способ получения покрытия из карбида кремния
В настоящее время методы получения покрытий из карбида кремния (SiC) в основном включают гелево-зольный метод, метод встраивания, метод нанесения покрытия кистью, метод плазменного напыления, метод химической газовой реакции (CVR) и метод химического осаждения из газовой фазы (CVD).
Метод встраивания:
Данный метод представляет собой высокотемпературное твердофазное спекание, в котором в качестве затравки используется смесь порошков Si и C, в которую помещается графитовая матрица, а высокотемпературное спекание проводится в инертном газе, в результате чего на поверхности графитовой матрицы получается покрытие SiC. Процесс прост, и сцепление покрытия с подложкой хорошее, но равномерность покрытия по толщине низкая, что легко приводит к образованию большего количества пор и снижению стойкости к окислению.
Метод нанесения покрытия кистью:
Метод нанесения покрытия кистью заключается в основном в нанесении жидкого сырья на поверхность графитовой матрицы с последующим отверждением сырья при определенной температуре для получения покрытия. Процесс прост и недорог, но покрытие, полученное методом нанесения покрытия кистью, плохо сочетается с подложкой, имеет низкую однородность, тонкое покрытие и низкую стойкость к окислению, поэтому необходимы другие методы для улучшения качества.
Метод плазменного напыления:
Метод плазменного напыления заключается в основном в распылении расплавленных или полурасплавленных сырьевых материалов на поверхность графитовой матрицы с помощью плазменного пистолета, после чего происходит затвердевание и сцепление для образования покрытия. Этот метод прост в эксплуатации и позволяет получить относительно плотное покрытие из карбида кремния, однако такое покрытие часто бывает слишком слабым и обладает низкой стойкостью к окислению, поэтому его обычно используют для получения композитных покрытий из карбида кремния с целью улучшения качества покрытия.
Гель-зольный метод:
Метод гель-золь в основном заключается в приготовлении однородного и прозрачного золь-раствора, покрывающего поверхность матрицы, его высушивании до образования геля, а затем спекании для получения покрытия. Этот метод прост в применении и недорог, но получаемое покрытие имеет некоторые недостатки, такие как низкая термостойкость и склонность к растрескиванию, поэтому он не может широко использоваться.
Химическая газовая реакция (ХГР):
Технология CVR в основном используется для получения SiC-покрытия путем применения порошков Si и SiO2 для генерации пара SiO при высокой температуре, при этом на поверхности углеродного материала подложки происходит ряд химических реакций. Полученное таким методом SiC-покрытие прочно сцепляется с подложкой, но температура реакции выше, а стоимость выше.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):
В настоящее время CVD является основной технологией для получения SiC-покрытия на поверхности подложки. Основной процесс заключается в серии физико-химических реакций газообразных реагентов на поверхности подложки, и, наконец, в результате осаждения SiC-покрытия на поверхность подложки. SiC-покрытие, полученное с помощью технологии CVD, прочно связывается с поверхностью подложки, что позволяет эффективно повысить стойкость к окислению и абляции материала подложки, однако время осаждения при этом методе больше, а реакционный газ содержит определенные токсичные вещества.
Рыночная ситуация на рынке графитовых покрытий с покрытием из карбида кремния.
Когда иностранные производители начали свою деятельность раньше, они имели явное преимущество и высокую долю рынка. На международном уровне основными поставщиками графитовой основы с покрытием из SiC являются голландская компания Xycard, немецкая SGL Carbon (SGL), японская Toyo Carbon, американская MEMC и другие компании, которые в основном занимают международный рынок. Хотя Китай пробил ключевую технологию равномерного роста покрытия из SiC на поверхности графитовой матрицы, высококачественная графитовая матрица по-прежнему зависит от немецких SGL, японских Toyo Carbon и других предприятий. Графитовая матрица, поставляемая отечественными предприятиями, имеет проблемы со сроком службы из-за теплопроводности, модуля упругости, модуля жесткости, дефектов кристаллической решетки и других проблем качества. Оборудование MOCVD не может удовлетворить требованиям, предъявляемым к использованию графитовой основы с покрытием из SiC.
Китайская полупроводниковая промышленность быстро развивается, и благодаря постепенному увеличению локализации оборудования для эпитаксиального осаждения методом MOCVD, а также расширению других технологических процессов, ожидается, что рынок продукции на основе графита с покрытием из карбида кремния будет быстро расти. Согласно предварительным отраслевым оценкам, объем внутреннего рынка графита в ближайшие несколько лет превысит 500 миллионов юаней.
Графитовая основа с покрытием из карбида кремния (SiC) является ключевым компонентом оборудования для промышленного производства составных полупроводников. Освоение ключевых технологий ее производства и изготовления, а также локализация всей цепочки «сырье-технология-оборудование» имеют огромное стратегическое значение для обеспечения развития полупроводниковой промышленности Китая. В стране наблюдается бурный рост производства графитовой основы с покрытием из SiC, и качество продукции вскоре может достичь передового международного уровня.
Дата публикации: 24 июля 2023 г.