Grafitové bázy s povlakom SiC sa bežne používajú na podopretie a ohrev monokryštálových substrátov v zariadeniach na chemické nanášanie z pár v kovovo-organických fázach (MOCVD). Tepelná stabilita, tepelná rovnomernosť a ďalšie výkonnostné parametre grafitovej bázy s povlakom SiC zohrávajú rozhodujúcu úlohu v kvalite epitaxného rastu materiálu, takže sú kľúčovou súčasťou zariadení MOCVD.
V procese výroby doštičiek sa na niektoré doštičkové substráty ďalej konštruujú epitaxné vrstvy, aby sa uľahčila výroba zariadení. Typické LED zariadenia vyžadujú prípravu epitaxných vrstiev GaAs na kremíkových substrátoch; epitaxná vrstva SiC sa pestuje na vodivom SiC substráte na konštrukciu zariadení, ako sú SBD, MOSFET atď., pre vysokonapäťové, vysokoprúdové a iné výkonové aplikácie; epitaxná vrstva GaN sa konštruuje na poloizolovanom SiC substráte na ďalšiu konštrukciu HEMT a iných zariadení pre RF aplikácie, ako je komunikácia. Tento proces je neoddeliteľný od CVD zariadení.
V CVD zariadení nie je možné substrát priamo umiestniť na kov alebo jednoducho umiestniť na podložku pre epitaxnú depozíciu, pretože to zahŕňa prúdenie plynu (horizontálne, vertikálne), teplotu, tlak, fixáciu, uvoľňovanie znečisťujúcich látok a ďalšie aspekty ovplyvňujúcich faktorov. Preto je potrebný podklad, na ktorý sa potom umiestni substrát na disk a následne sa naň pomocou CVD technológie vykoná epitaxná depozícia. Týmto podkladom je grafitová podložka potiahnutá SiC (známa aj ako miska).
Grafitové bázy s povlakom SiC sa bežne používajú na podopretie a ohrev monokryštálových substrátov v zariadeniach na chemické nanášanie z pár v kovovo-organických fázach (MOCVD). Tepelná stabilita, tepelná rovnomernosť a ďalšie výkonnostné parametre grafitovej bázy s povlakom SiC zohrávajú rozhodujúcu úlohu v kvalite epitaxného rastu materiálu, takže sú kľúčovou súčasťou zariadení MOCVD.
Chemická depozícia z pár na báze organokovových zlúčenín (MOCVD) je hlavnou technológiou pre epitaxný rast GaN filmov v modrých LED diódach. Má výhody jednoduchej prevádzky, kontrolovateľnej rýchlosti rastu a vysokej čistoty GaN filmov. Ako dôležitá súčasť reakčnej komory zariadenia MOCVD musí mať ložisková základňa použitá na epitaxný rast GaN filmu výhody vysokej teplotnej odolnosti, rovnomernej tepelnej vodivosti, dobrej chemickej stability, silnej odolnosti voči tepelným šokom atď. Grafitový materiál môže spĺňať vyššie uvedené podmienky.
Ako jedna z hlavných súčastí zariadenia MOCVD je grafitová báza nosičom a vykurovacím telesom substrátu, ktorý priamo určuje rovnomernosť a čistotu filmového materiálu, takže jej kvalita priamo ovplyvňuje prípravu epitaxnej fólie a zároveň sa so zvyšujúcim sa počtom použití a zmenou pracovných podmienok veľmi ľahko opotrebuje a patrí medzi spotrebný materiál.
Hoci má grafit vynikajúcu tepelnú vodivosť a stabilitu, má dobrú výhodu ako základná zložka zariadení MOCVD, počas výrobného procesu však grafit koroduje prášok v dôsledku zvyškov korozívnych plynov a kovových organických látok, čím sa výrazne skráti životnosť grafitového základu. Zároveň padajúci grafitový prášok znečistí triesku.
Vznik technológie nanášania povlakov môže zabezpečiť fixáciu povrchového prášku, zvýšiť tepelnú vodivosť a vyrovnať rozloženie tepla, čo sa stalo hlavnou technológiou na riešenie tohto problému. Grafitový základ v prostredí používania zariadení MOCVD by mal povrchový povlak s grafitovým základom spĺňať nasledujúce vlastnosti:
(1) Grafitový základ môže byť úplne zabalený a hustota je dobrá, inak grafitový základ ľahko koroduje v korozívnom plyne.
(2) Kombinovaná pevnosť s grafitovým základom je vysoká, aby sa zabezpečilo, že povlak sa po niekoľkých cykloch vysokej a nízkej teploty ľahko neodlupuje.
(3) Má dobrú chemickú stabilitu, aby sa zabránilo poškodeniu náteru pri vysokej teplote a korozívnej atmosfére.
SiC má výhody odolnosti voči korózii, vysokej tepelnej vodivosti, odolnosti voči tepelným šokom a vysokej chemickej stability a môže dobre fungovať v epitaxnej atmosfére GaN. Okrem toho sa koeficient tepelnej rozťažnosti SiC veľmi málo líši od koeficientu tepelnej rozťažnosti grafitu, takže SiC je preferovaným materiálom na povrchovú úpravu grafitového základu.
V súčasnosti sa bežne používa SiC prevažne typu 3C, 4H a 6H a rôzne typy kryštálov SiC sa používajú rôzne. Napríklad 4H-SiC sa dá použiť na výrobu vysokovýkonných zariadení; 6H-SiC je najstabilnejší a možno z neho vyrobiť fotoelektrické zariadenia; vďaka svojej podobnej štruktúre ako GaN sa 3C-SiC môže použiť na výrobu epitaxnej vrstvy GaN a na výrobu RF zariadení SiC-GaN. 3C-SiC je tiež bežne známy ako β-SiC a dôležitým využitím β-SiC je ako filmový a náterový materiál, takže β-SiC je v súčasnosti hlavným náterovým materiálom.
Spôsob prípravy povlaku z karbidu kremíka
V súčasnosti metódy prípravy SiC povlakov zahŕňajú najmä gél-solovú metódu, metódu zalievania, metódu nanášania štetcom, metódu plazmového striekania, metódu chemickej reakcie s plynom (CVR) a metódu chemického nanášania z pár (CVD).
Metóda vkladania:
Táto metóda je druh vysokoteplotného spekania v tuhej fáze, ktoré využíva hlavne zmes práškového Si a práškového C ako zalievacieho prášku, grafitová matrica sa umiestni do zalievacieho prášku a vysokoteplotné spekanie sa vykonáva v inertnom plyne a nakoniec sa na povrchu grafitovej matrice získa povlak SiC. Proces je jednoduchý a kombinácia medzi povlakom a substrátom je dobrá, ale rovnomernosť povlaku pozdĺž smeru hrúbky je slabá, čo ľahko vedie k tvorbe ďalších otvorov a slabej odolnosti proti oxidácii.
Metóda nanášania štetcom:
Metóda nanášania štetcom spočíva hlavne v nanesení tekutej suroviny štetcom na povrch grafitovej matrice a následnom vytvrdnutí suroviny pri určitej teplote, čím sa pripraví povlak. Proces je jednoduchý a nákladovo efektívny, ale povlak pripravený metódou nanášania štetcom je v kombinácii so substrátom slabý, rovnomernosť povlaku je nízka, povlak je tenký a odolný voči oxidácii je nízka, takže sú potrebné iné metódy, ktoré to uľahčia.
Metóda plazmového striekania:
Metóda plazmového striekania spočíva hlavne v nanášaní roztavených alebo čiastočne roztavených surovín na povrch grafitovej matrice pomocou plazmovej pištole, ktoré potom stuhnú a spoja sa za vzniku povlaku. Metóda je jednoduchá na obsluhu a umožňuje pripraviť relatívne hustý povlak karbidu kremíka, ale povlak karbidu kremíka pripravený touto metódou je často príliš slabý a vedie k nízkej odolnosti voči oxidácii, preto sa všeobecne používa na prípravu kompozitných povlakov SiC na zlepšenie kvality povlaku.
Metóda gél-sol:
Metóda gél-sol spočíva hlavne v príprave rovnomerného a transparentného roztoku sólu pokrývajúceho povrch matrice, jeho vysušení na gél a následnom spekaní za účelom získania povlaku. Táto metóda je jednoduchá na použitie a lacná, ale vyrobený povlak má určité nedostatky, ako je nízka odolnosť voči tepelným šokom a ľahké praskanie, takže nemôže byť široko používaný.
Chemická plynová reakcia (CVR):
CVR vytvára hlavne povlak SiC pomocou prášku Si a SiO2 na generovanie pary SiO pri vysokej teplote a na povrchu substrátu z materiálu C prebieha séria chemických reakcií. Povlak SiC pripravený touto metódou je pevne spojený so substrátom, ale reakčná teplota je vyššia a náklady sú vyššie.
Chemické nanášanie z pár (CVD):
V súčasnosti je CVD hlavnou technológiou na prípravu SiC povlakov na povrchu substrátu. Hlavným procesom je séria fyzikálnych a chemických reakcií reaktantov v plynnej fáze na povrchu substrátu a nakoniec sa SiC povlak pripraví nanesením na povrch substrátu. SiC povlak pripravený CVD technológiou je pevne spojený s povrchom substrátu, čo môže účinne zlepšiť odolnosť substrátu voči oxidácii a ablačnej odolnosti, ale čas nanášania tejto metódy je dlhší a reakčný plyn obsahuje určité toxické plyny.
Trhová situácia s grafitovou základňou potiahnutou SiC
Keď zahraniční výrobcovia začali s výrobou v skorom štádiu, mali jasný náskok a vysoký podiel na trhu. Medzinárodne sú hlavnými dodávateľmi grafitového základu s povlakom SiC holandský Xycard, nemecký SGL Carbon (SGL), japonský Toyo Carbon, americký MEMC a ďalšie spoločnosti, ktoré v podstate obsadili medzinárodný trh. Hoci Čína prelomila kľúčovú technológiu rovnomerného rastu povlaku SiC na povrchu grafitovej matrice, vysokokvalitná grafitová matrica sa stále spolieha na nemecký SGL, japonský Toyo Carbon a ďalšie podniky. Grafitová matrica dodávaná domácimi podnikmi ovplyvňuje životnosť v dôsledku tepelnej vodivosti, modulu pružnosti, modulu tuhosti, mriežkových chýb a iných problémov s kvalitou. Zariadenie MOCVD nedokáže splniť požiadavky na používanie grafitového základu s povlakom SiC.
Čínsky polovodičový priemysel sa rýchlo rozvíja a s postupným zvyšovaním miery lokalizácie epitaxných zariadení MOCVD a rozširovaním ďalších procesných aplikácií sa očakáva rýchly rast trhu s grafitovými produktmi s povlakom SiC v budúcnosti. Podľa predbežných odhadov odvetvia domáci trh s grafitovými produktmi v najbližších rokoch prekročí 500 miliónov juanov.
Grafitová báza s povlakom SiC je kľúčovou súčasťou zariadení na industrializáciu polovodičových zlúčenín. Zvládnutie kľúčovej technológie jej výroby a spracovania a realizácia lokalizácie celého priemyselného reťazca surovín, procesov a zariadení má veľký strategický význam pre zabezpečenie rozvoja čínskeho polovodičového priemyslu. Oblasť domácej grafitovej bázy s povlakom SiC zažíva boom a kvalita výrobkov by mohla čoskoro dosiahnuť medzinárodnú pokročilú úroveň.
Čas uverejnenia: 24. júla 2023