Grafitne podlage s prevleko SiC se pogosto uporabljajo za podporo in segrevanje monokristalnih substratov v opremi za kemično nanašanje iz kovinsko-organskih par (MOCVD). Termična stabilnost, toplotna enakomernost in drugi parametri delovanja grafitne podlage s prevleko SiC igrajo odločilno vlogo pri kakovosti epitaksialne rasti materiala, zato je to ključna komponenta opreme MOCVD.
Med postopkom izdelave rezin se na nekaterih substratih rezin dodatno konstruirajo epitaksialne plasti, da se olajša izdelava naprav. Tipične LED svetleče naprave morajo pripraviti epitaksialne plasti GaAs na silicijevih substratih; epitaksialna plast SiC se goji na prevodnem substratu SiC za izdelavo naprav, kot so SBD, MOSFET itd., za visokonapetostne, visokotokovne in druge energetske aplikacije; epitaksialna plast GaN se konstruira na polizoliranem substratu SiC za nadaljnjo izdelavo HEMT in drugih naprav za RF aplikacije, kot je komunikacija. Ta postopek je neločljiv od CVD opreme.
V CVD opremi substrata ni mogoče namestiti neposredno na kovino ali preprosto na podlago za epitaksialno nanašanje, ker so vključeni pretok plina (vodoravni, navpični), temperatura, tlak, fiksacija, izločanje onesnaževal in drugi vidiki vplivnih dejavnikov. Zato je potrebna podlaga, nato pa se substrat namesti na disk in nato se na podlago s CVD tehnologijo izvede epitaksialno nanašanje, ta podlaga pa je grafitna podlaga s prevleko SiC (znana tudi kot pladenj).
Grafitne podlage s prevleko SiC se pogosto uporabljajo za podporo in segrevanje monokristalnih substratov v opremi za kemično nanašanje iz kovinsko-organskih par (MOCVD). Termična stabilnost, toplotna enakomernost in drugi parametri delovanja grafitne podlage s prevleko SiC igrajo odločilno vlogo pri kakovosti epitaksialne rasti materiala, zato je to ključna komponenta opreme MOCVD.
Kovinsko-organsko kemično nanašanje s paro (MOCVD) je glavna tehnologija za epitaksialno rast GaN filmov v modrih LED diodah. Ima prednosti enostavnega delovanja, nadzorovane hitrosti rasti in visoke čistosti GaN filmov. Kot pomembna komponenta v reakcijski komori MOCVD opreme mora imeti nosilna osnova, ki se uporablja za epitaksialno rast GaN filmov, prednosti visoke temperaturne odpornosti, enakomerne toplotne prevodnosti, dobre kemične stabilnosti, močne odpornosti na toplotne udarce itd. Grafit lahko izpolnjuje zgornje pogoje.
Grafitna osnova je ena od osrednjih komponent opreme MOCVD, nosilec in grelno telo substrata, ki neposredno določa enakomernost in čistost filmskega materiala, zato njena kakovost neposredno vpliva na pripravo epitaksialne plošče, hkrati pa se s povečanjem števila uporab in spremembo delovnih pogojev zelo enostavno obrabi in spada med potrošne materiale.
Čeprav ima grafit odlično toplotno prevodnost in stabilnost, ima dobro prednost kot osnovna komponenta opreme MOCVD, vendar bo grafit med proizvodnim procesom zaradi ostankov korozivnih plinov in kovinskih organskih snovi korodiral prah, kar bo močno skrajšalo življenjsko dobo grafitne podlage. Hkrati bo padajoči grafitni prah onesnažil odrezek.
Pojav tehnologije premazov lahko zagotovi fiksacijo površinskega prahu, izboljša toplotno prevodnost in izenači porazdelitev toplote, kar je postala glavna tehnologija za rešitev tega problema. Grafitna osnova v okolju uporabe opreme MOCVD, površinski premaz na osnovi grafita mora imeti naslednje lastnosti:
(1) Grafitna osnova se lahko popolnoma ovije in ima dobro gostoto, sicer jo lahko v korozivnem plinu zlahka korodira.
(2) Kombinacijska trdnost z grafitno osnovo je visoka, da se premaz po več ciklih visoke in nizke temperature ne odlepi zlahka.
(3) Ima dobro kemijsko stabilnost, da se prepreči odpoved premaza pri visoki temperaturi in korozivnem okolju.
SiC ima prednosti odpornosti proti koroziji, visoke toplotne prevodnosti, odpornosti na toplotne šoke in visoke kemične stabilnosti ter lahko dobro deluje v epitaksialni atmosferi GaN. Poleg tega se koeficient toplotnega raztezanja SiC zelo malo razlikuje od koeficienta grafita, zato je SiC prednostni material za površinsko prevleko grafitne osnove.
Trenutno se uporablja predvsem SiC tipov 3C, 4H in 6H, uporaba SiC pa se razlikuje glede na vrsto kristala. Na primer, 4H-SiC se lahko uporablja za izdelavo visokozmogljivih naprav; 6H-SiC je najbolj stabilen in se lahko uporablja za izdelavo fotoelektričnih naprav; zaradi podobne strukture kot GaN se lahko 3C-SiC uporablja za izdelavo epitaksialne plasti GaN in za izdelavo SiC-GaN RF naprav. 3C-SiC je splošno znan tudi kot β-SiC, pomembna uporaba β-SiC pa je kot filmski in premazni material, zato je β-SiC trenutno glavni material za premaze.
Metoda za pripravo prevleke iz silicijevega karbida
Trenutno metode priprave SiC prevlek vključujejo predvsem gel-sol metodo, metodo vgradnje, metodo nanašanja s čopičem, metodo plazemskega brizganja, metodo kemijske plinske reakcije (CVR) in metodo kemičnega nanašanja s paro (CVD).
Način vdelave:
Metoda je vrsta visokotemperaturnega sintranja v trdni fazi, pri katerem se kot vgradni prašek uporablja predvsem mešanica Si in C prahu, grafitna matrica se namesti v vgradni prašek, visokotemperaturno sintranje pa se izvede v inertnem plinu, na koncu pa se na površini grafitne matrice nanese SiC prevleka. Postopek je preprost in kombinacija med prevleko in podlago je dobra, vendar je enakomernost prevleke vzdolž smeri debeline slaba, kar lahko povzroči nastanek več lukenj in slabo odpornost proti oksidaciji.
Metoda nanašanja s čopičem:
Metoda nanašanja s čopičem v glavnem vključuje nanašanje tekoče surovine s čopičem na površino grafitne matrice in nato strjevanje surovine pri določeni temperaturi za pripravo premaza. Postopek je preprost in cenejši, vendar je premaz, pripravljen s čopičem, v kombinaciji s podlago slab, enakomernost premaza je slaba, premaz je tanek in odpornost proti oksidaciji je nizka, zato so potrebne druge metode za pomoč.
Metoda plazemskega brizganja:
Metoda plazemskega brizganja je predvsem nanašanje staljenih ali polstaljenih surovin na površino grafitne matrice s plazemsko pištolo, nato pa strjevanje in vezanje v prevleko. Metoda je enostavna za uporabo in omogoča pripravo relativno goste prevleke silicijevega karbida, vendar je prevleka silicijevega karbida, pripravljena s to metodo, pogosto prešibka in vodi do šibke odpornosti proti oksidaciji, zato se običajno uporablja za pripravo kompozitnih prevlek SiC za izboljšanje kakovosti prevleke.
Gel-sol metoda:
Metoda gel-sol je v glavnem namenjena pripravi enakomerne in prozorne raztopine sola, ki prekrije površino matrice, se posuši v gel in nato sintra, da se dobi premaz. Ta metoda je preprosta za uporabo in poceni, vendar ima nastali premaz nekaj pomanjkljivosti, kot sta nizka odpornost na toplotne šoke in enostavno razpokanje, zato ga ni mogoče široko uporabljati.
Kemijska plinska reakcija (CVR):
CVR v glavnem ustvarja prevleko SiC z uporabo prahu Si in SiO2 za ustvarjanje pare SiO pri visoki temperaturi, pri čemer se na površini substrata iz materiala C pojavi vrsta kemičnih reakcij. Prevleka SiC, pripravljena s to metodo, je tesno vezana na substrat, vendar je reakcijska temperatura višja in stroški višji.
Kemično nanašanje iz parne tekočine (CVD):
Trenutno je CVD glavna tehnologija za pripravo SiC prevleke na površini substrata. Glavni postopek je vrsta fizikalnih in kemijskih reakcij plinskofaznega reaktanta na površini substrata, na koncu pa se SiC prevleka pripravi z nanašanjem na površino substrata. SiC prevleka, pripravljena s CVD tehnologijo, se tesno veže na površino substrata, kar lahko učinkovito izboljša odpornost proti oksidaciji in ablaciji substrata, vendar je čas nanašanja pri tej metodi daljši, reakcijski plin pa vsebuje določeno količino strupenih plinov.
Tržne razmere na osnovi grafita s prevleko iz SiC
Ko so tuji proizvajalci začeli zgodaj, so imeli jasno prednost in visok tržni delež. Na mednarodni ravni so glavni dobavitelji grafitne podlage s prevleko SiC nizozemski Xycard, nemški SGL Carbon (SGL), japonski Toyo Carbon, ameriški MEMC in druga podjetja, ki v osnovi zasedajo mednarodni trg. Čeprav je Kitajska prebila ključno tehnologijo enakomerne rasti SiC prevleke na površini grafitne matrice, se visokokakovostna grafitna matrica še vedno zanaša na nemški SGL, japonski Toyo Carbon in druga podjetja, vendar grafitna matrica, ki jo zagotavljajo domača podjetja, vpliva na življenjsko dobo zaradi toplotne prevodnosti, elastičnega modula, togega modula, napak v kristalni mreži in drugih težav s kakovostjo. Oprema MOCVD ne more izpolniti zahtev za uporabo grafitne podlage s prevleko SiC.
Kitajska polprevodniška industrija se hitro razvija. S postopnim povečevanjem stopnje lokalizacije epitaksialne opreme MOCVD in širitvijo drugih procesnih aplikacij se pričakuje hitra rast trga grafitnih izdelkov s prevleko SiC. Po predhodnih ocenah industrije bo domači trg grafitnih izdelkov v naslednjih nekaj letih presegel 500 milijonov juanov.
Grafitna osnova s prevleko SiC je osrednja komponenta opreme za industrializacijo sestavljenih polprevodnikov, obvladovanje ključne tehnologije njene proizvodnje in izdelave ter lokalizacija celotne industrijske verige surovin-proces-oprema pa sta zelo strateško pomembna za razvoj kitajske polprevodniške industrije. Področje domače grafitne osnove s prevleko SiC je v razcvetu, kakovost izdelkov pa lahko kmalu doseže mednarodno napredno raven.
Čas objave: 24. julij 2023