ชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ – ฐานกราไฟท์เคลือบ SiC

ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC มักใช้ในการรองรับและให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นผลึกเดี่ยวในอุปกรณ์การสะสมไอเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เสถียรภาพทางความร้อน ความสม่ำเสมอทางความร้อน และพารามิเตอร์ประสิทธิภาพอื่นๆ ของฐานกราไฟต์เคลือบ SiC มีบทบาทสำคัญต่อคุณภาพของการเติบโตของวัสดุเอพิแทกเซียล จึงเป็นส่วนประกอบสำคัญหลักของอุปกรณ์ MOCVD

ในกระบวนการผลิตเวเฟอร์ ชั้นเอพิแทกเซียลจะถูกสร้างขึ้นเพิ่มเติมบนซับสเตรตเวเฟอร์บางส่วนเพื่ออำนวยความสะดวกในการผลิตอุปกรณ์ อุปกรณ์เปล่งแสง LED ทั่วไปจำเป็นต้องเตรียมชั้นเอพิแทกเซียลของ GaAs บนซับสเตรตซิลิกอน ชั้นเอพิแทกเซียล SiC จะปลูกบนซับสเตรต SiC ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสำหรับการสร้างอุปกรณ์ เช่น SBD, MOSFET เป็นต้น สำหรับแรงดันไฟฟ้าสูง กระแสไฟสูง และการใช้งานพลังงานอื่นๆ ชั้นเอพิแทกเซียล GaN จะถูกสร้างขึ้นบนซับสเตรต SiC ที่เป็นฉนวนกึ่งหนึ่งเพื่อสร้าง HEMT และอุปกรณ์อื่นๆ สำหรับการใช้งาน RF เช่น การสื่อสาร กระบวนการนี้ไม่สามารถแยกออกจากอุปกรณ์ CVD ได้

ในอุปกรณ์ CVD ไม่สามารถวางพื้นผิวบนโลหะโดยตรงหรือวางบนฐานสำหรับการสะสมแบบเอพิแทกเซียลได้ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการไหลของก๊าซ (แนวนอน แนวตั้ง) อุณหภูมิ แรงดัน การตรึง การกำจัดมลพิษ และปัจจัยที่มีอิทธิพลอื่นๆ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีฐาน จากนั้นจึงวางพื้นผิวบนดิสก์ จากนั้นจึงดำเนินการสะสมแบบเอพิแทกเซียลบนพื้นผิวโดยใช้เทคโนโลยี CVD และฐานนี้คือฐานกราไฟต์เคลือบ SiC (เรียกอีกอย่างว่าถาด)

ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC มักใช้ในการรองรับและให้ความร้อนแก่สารตั้งต้นผลึกเดี่ยวในอุปกรณ์การสะสมไอเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เสถียรภาพทางความร้อน ความสม่ำเสมอทางความร้อน และพารามิเตอร์ประสิทธิภาพอื่นๆ ของฐานกราไฟต์เคลือบ SiC มีบทบาทสำคัญต่อคุณภาพของการเติบโตของวัสดุเอพิแทกเซียล จึงเป็นส่วนประกอบสำคัญหลักของอุปกรณ์ MOCVD

การสะสมไอเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เป็นเทคโนโลยีกระแสหลักสำหรับการเจริญเติบโตของฟิล์ม GaN แบบเอพิแทกเซียลใน LED สีน้ำเงิน เทคโนโลยีนี้มีข้อดีคือใช้งานง่าย อัตราการเจริญเติบโตที่ควบคุมได้ และฟิล์ม GaN ที่มีความบริสุทธิ์สูง เนื่องจากเป็นส่วนประกอบสำคัญในห้องปฏิกิริยาของอุปกรณ์ MOCVD ฐานรองรับที่ใช้สำหรับการเจริญเติบโตของฟิล์ม GaN แบบเอพิแทกเซียลจึงต้องมีข้อดีคือทนต่ออุณหภูมิสูง การนำความร้อนสม่ำเสมอ มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดี ทนต่อการกระแทกจากความร้อนได้ดี เป็นต้น วัสดุกราไฟต์สามารถตอบสนองเงื่อนไขข้างต้นได้

เนื่องจากเป็นหนึ่งในส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ MOCVD ฐานกราไฟต์จึงทำหน้าที่เป็นตัวพาและตัวทำความร้อนของสารตั้งต้น ซึ่งกำหนดความสม่ำเสมอและความบริสุทธิ์ของวัสดุฟิล์มโดยตรง ดังนั้น คุณภาพของฐานกราไฟต์จึงส่งผลโดยตรงต่อการเตรียมแผ่นเอพิแทกเซียล และในขณะเดียวกัน เมื่อจำนวนการใช้งานและสภาพการทำงานที่เปลี่ยนไปมากขึ้น ก็ทำให้สวมใส่ได้ง่ายมาก นอกจากนี้ยังจัดอยู่ในวัสดุสิ้นเปลืองอีกด้วย

แม้ว่ากราไฟต์จะมีความสามารถในการนำความร้อนและความเสถียรที่ยอดเยี่ยม แต่ก็มีข้อได้เปรียบที่ดีในฐานะส่วนประกอบพื้นฐานของอุปกรณ์ MOCVD แต่ในกระบวนการผลิต กราไฟต์จะกัดกร่อนผงเนื่องจากมีก๊าซกัดกร่อนและสารอินทรีย์โลหะตกค้าง และอายุการใช้งานของฐานกราไฟต์จะลดลงอย่างมาก ในเวลาเดียวกัน ผงกราไฟต์ที่ตกลงมาจะก่อให้เกิดมลพิษต่อชิป

การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีการเคลือบสามารถให้การตรึงผงบนพื้นผิว เพิ่มการนำความร้อน และกระจายความร้อนอย่างเท่าเทียมกัน ซึ่งได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักในการแก้ปัญหานี้ ฐานกราไฟต์ในสภาพแวดล้อมการใช้งานอุปกรณ์ MOCVD การเคลือบพื้นผิวฐานกราไฟต์ควรเป็นไปตามลักษณะดังต่อไปนี้:

(1) ฐานกราไฟท์สามารถห่อได้อย่างเต็มที่ และมีความหนาแน่นดี มิฉะนั้น ฐานกราไฟท์อาจกัดกร่อนได้ง่ายในก๊าซที่กัดกร่อน

(2) ความแข็งแรงในการรวมกับฐานกราไฟต์นั้นสูงเพื่อให้แน่ใจว่าการเคลือบจะไม่หลุดออกง่ายหลังจากผ่านการใช้งานที่อุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำหลายรอบ

(3) มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีเพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวของการเคลือบภายใต้อุณหภูมิสูงและบรรยากาศที่กัดกร่อน

SiC มีข้อดีคือ ทนต่อการกัดกร่อน การนำความร้อนสูง ทนต่อการกระแทกจากความร้อน และมีเสถียรภาพทางเคมีสูง และสามารถทำงานได้ดีในบรรยากาศเอพิแทกเซียล GaN นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ SiC แตกต่างจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของกราไฟต์เพียงเล็กน้อย ดังนั้น SiC จึงเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับการเคลือบพื้นผิวของฐานกราไฟต์

ปัจจุบัน SiC ทั่วไปมีประเภท 3C, 4H และ 6H เป็นหลัก และการใช้ SiC ของผลึกประเภทต่างๆ ก็แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น 4H-SiC สามารถผลิตอุปกรณ์กำลังสูงได้ 6H-SiC มีเสถียรภาพมากที่สุดและสามารถผลิตอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริกได้ เนื่องจากมีโครงสร้างคล้ายกับ GaN จึงสามารถใช้ 3C-SiC เพื่อผลิตชั้นเอพิแทกเซียล GaN และผลิตอุปกรณ์ RF SiC-GaN ได้ 3C-SiC ยังเรียกกันทั่วไปว่า β-SiC และการใช้งานที่สำคัญของ β-SiC คือเป็นฟิล์มและวัสดุเคลือบ ดังนั้น β-SiC จึงเป็นวัสดุหลักสำหรับการเคลือบในปัจจุบัน

วิธีการเตรียมการเคลือบซิลิกอนคาร์ไบด์

ปัจจุบัน วิธีการเตรียมการเคลือบ SiC หลักๆ ได้แก่ วิธีเจลโซล วิธีการฝัง วิธีการเคลือบด้วยแปรง วิธีการพ่นพลาสมา วิธีการปฏิกิริยาเคมีแก๊ส (CVR) และวิธีการสะสมไอเคมี (CVD)

วิธีการฝัง:

วิธีการนี้เป็นการเผาผนึกแบบเฟสแข็งที่อุณหภูมิสูง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ส่วนผสมของผง Si และผง C เป็นผงฝังตัว จากนั้นจึงวางเมทริกซ์กราไฟต์ไว้ในผงฝังตัว จากนั้นจึงเผาผนึกด้วยอุณหภูมิสูงในก๊าซเฉื่อย และในที่สุดก็จะได้การเคลือบ SiC บนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์ กระบวนการนี้เรียบง่ายและการผสมผสานระหว่างการเคลือบและพื้นผิวก็ดี แต่ความสม่ำเสมอของการเคลือบตามทิศทางความหนาไม่ดี ทำให้เกิดรูพรุนได้ง่ายและส่งผลให้มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันต่ำ

วิธีการเคลือบด้วยแปรง:

วิธีการเคลือบด้วยแปรงนั้นส่วนใหญ่ใช้การแปรงวัตถุดิบเหลวบนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์ จากนั้นจึงอบวัตถุดิบที่อุณหภูมิหนึ่งเพื่อเตรียมการเคลือบ กระบวนการนี้ง่ายและต้นทุนต่ำ แต่การเคลือบที่เตรียมโดยวิธีการเคลือบด้วยแปรงนั้นอ่อนแอเมื่อใช้ร่วมกับพื้นผิว ความสม่ำเสมอของการเคลือบไม่ดี การเคลือบนั้นบางและทนต่อการเกิดออกซิเดชันต่ำ จึงต้องใช้วิธีการอื่นเพื่อช่วย

วิธีการพ่นพลาสม่า:

วิธีการพ่นพลาสม่านั้นส่วนใหญ่ใช้ปืนพลาสม่าพ่นวัตถุดิบที่หลอมละลายหรือกึ่งหลอมละลายบนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์ จากนั้นจึงทำให้แข็งตัวและยึดติดเพื่อสร้างการเคลือบ วิธีนี้ใช้งานง่ายและสามารถเตรียมการเคลือบซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นค่อนข้างมากได้ แต่การเคลือบซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เตรียมโดยวิธีนี้มักจะอ่อนเกินไปและทำให้มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่อ่อนแอ ดังนั้นจึงมักใช้ในการเตรียมการเคลือบคอมโพสิต SiC เพื่อปรับปรุงคุณภาพของการเคลือบ

วิธีเจลโซล:

วิธีเจลโซลนั้นส่วนใหญ่แล้วคือการเตรียมสารละลายโซลที่โปร่งใสและสม่ำเสมอเพื่อปกคลุมพื้นผิวของเมทริกซ์ จากนั้นจึงทำให้แห้งเป็นเจลแล้วจึงเผาผนึกเพื่อให้ได้สารเคลือบ วิธีนี้ใช้งานง่ายและมีต้นทุนต่ำ แต่สารเคลือบที่ได้นั้นมีข้อบกพร่องบางประการ เช่น ทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนต่ำและแตกร้าวได้ง่าย จึงไม่สามารถใช้กันอย่างแพร่หลายได้

ปฏิกิริยาเคมีแก๊ส (CVR) :

CVR สร้างสารเคลือบ SiC เป็นหลักโดยใช้ผง Si และ SiO2 เพื่อสร้างไอน้ำ SiO ที่อุณหภูมิสูง และเกิดปฏิกิริยาเคมีหลายชุดบนพื้นผิวของวัสดุพื้นฐาน C สารเคลือบ SiC ที่เตรียมโดยวิธีนี้จะยึดติดกับวัสดุพื้นฐานอย่างแน่นหนา แต่มีอุณหภูมิปฏิกิริยาที่สูงกว่าและต้นทุนก็สูงกว่า

การสะสมไอเคมี (CVD) :

ปัจจุบัน CVD เป็นเทคโนโลยีหลักในการเตรียมการเคลือบ SiC บนพื้นผิวของวัสดุพื้นฐาน กระบวนการหลักคือปฏิกิริยาทางกายภาพและเคมีชุดของวัสดุปฏิกิริยาในเฟสก๊าซบนพื้นผิวของวัสดุพื้นฐาน และสุดท้าย การเคลือบ SiC จะถูกเตรียมโดยการสะสมบนพื้นผิวของวัสดุพื้นฐาน การเคลือบ SiC ที่เตรียมโดยเทคโนโลยี CVD จะยึดติดกับพื้นผิวของวัสดุพื้นฐานอย่างแน่นหนา ซึ่งสามารถปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการสึกกร่อนของวัสดุพื้นฐานได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่เวลาในการสะสมของวิธีนี้จะนานกว่า และก๊าซปฏิกิริยาจะมีก๊าซพิษบางชนิด

สถานการณ์ตลาดของฐานกราไฟท์เคลือบ SiC

เมื่อผู้ผลิตต่างประเทศเริ่มต้นในช่วงแรก พวกเขาก็มีความเป็นผู้นำที่ชัดเจนและส่วนแบ่งการตลาดที่สูง ในระดับสากล ซัพพลายเออร์หลักของฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ได้แก่ Xycard ของเนเธอร์แลนด์, SGL Carbon (SGL), Toyo Carbon ของญี่ปุ่น, MEMC ของสหรัฐอเมริกา และบริษัทอื่นๆ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วครองตลาดระหว่างประเทศ แม้ว่าจีนจะก้าวข้ามเทคโนโลยีหลักที่สำคัญของการเติบโตที่สม่ำเสมอของการเคลือบ SiC บนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์แล้ว แต่เมทริกซ์กราไฟต์คุณภาพสูงยังคงต้องพึ่งพา SGL ของเยอรมนี, Toyo Carbon ของญี่ปุ่น และบริษัทอื่นๆ เมทริกซ์กราไฟต์ที่จัดหาโดยบริษัทในประเทศส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานเนื่องจากการนำความร้อน โมดูลัสยืดหยุ่น โมดูลัสแข็ง ข้อบกพร่องของโครงตาข่าย และปัญหาด้านคุณภาพอื่นๆ อุปกรณ์ MOCVD ไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการใช้ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ได้

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของจีนกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยอัตราการระบุตำแหน่งอุปกรณ์อิพิแทกเซียล MOCVD เพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป และการขยายตัวของการใช้งานกระบวนการอื่นๆ คาดว่าตลาดผลิตภัณฑ์ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ในอนาคตจะเติบโตอย่างรวดเร็ว ตามการประมาณการเบื้องต้นของอุตสาหกรรม ตลาดฐานกราไฟต์ในประเทศจะเกิน 500 ล้านหยวนในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC เป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์อุตสาหกรรมการผลิตสารกึ่งตัวนำ โดยเชี่ยวชาญเทคโนโลยีหลักที่สำคัญของการผลิตและการผลิต และตระหนักถึงการจัดทำห่วงโซ่อุตสาหกรรมวัตถุดิบ-กระบวนการ-อุปกรณ์ทั้งหมดในพื้นที่ มีความสำคัญเชิงกลยุทธ์อย่างยิ่งในการสร้างหลักประกันการพัฒนาอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำของจีน สาขาฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ในประเทศกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว และคุณภาพผลิตภัณฑ์สามารถเข้าถึงระดับขั้นสูงระดับนานาชาติได้ในไม่ช้า