ชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ – ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC

ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC นิยมใช้เพื่อรองรับและให้ความร้อนแก่พื้นผิวผลึกเดี่ยวในอุปกรณ์การตกตะกอนไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เสถียรภาพทางความร้อน ความสม่ำเสมอของความร้อน และพารามิเตอร์ประสิทธิภาพอื่นๆ ของฐานกราไฟต์เคลือบ SiC มีบทบาทสำคัญต่อคุณภาพของการเจริญเติบโตของวัสดุแบบเอพิเท็กเซียล ดังนั้นจึงเป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ MOCVD

ในกระบวนการผลิตเวเฟอร์นั้น ชั้นเอพิแท็กเซียลจะถูกสร้างขึ้นเพิ่มเติมบนพื้นผิวเวเฟอร์บางส่วนเพื่ออำนวยความสะดวกในการผลิตอุปกรณ์ต่างๆ อุปกรณ์เปล่งแสง LED ทั่วไปจำเป็นต้องเตรียมชั้นเอพิแท็กเซียลของ GaAs บนพื้นผิวซิลิคอน ชั้นเอพิแท็กเซียล SiC จะถูกปลูกบนพื้นผิว SiC ที่นำไฟฟ้าได้สำหรับการสร้างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น SBD, MOSFET เป็นต้น สำหรับการใช้งานแรงดันสูง กระแสสูง และการใช้งานด้านพลังงานอื่นๆ ชั้นเอพิแท็กเซียล GaN จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิว SiC กึ่งฉนวนเพื่อสร้าง HEMT และอุปกรณ์อื่นๆ สำหรับการใช้งาน RF เช่น การสื่อสาร กระบวนการนี้แยกออกจากอุปกรณ์ CVD ไม่ได้

ในอุปกรณ์ CVD นั้น ไม่สามารถวางวัสดุตั้งต้นลงบนโลหะโดยตรง หรือวางบนฐานรองเพื่อทำการตกตะกอนแบบเอพิแท็กเซียได้ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการไหลของก๊าซ (แนวนอน แนวตั้ง) อุณหภูมิ ความดัน การยึด การกำจัดมลพิษ และปัจจัยอื่นๆ ที่มีอิทธิพล ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีฐานรอง จากนั้นจึงวางวัสดุตั้งต้นลงบนฐานรอง และทำการตกตะกอนแบบเอพิแท็กเซียลงบนวัสดุตั้งต้นโดยใช้เทคโนโลยี CVD โดยฐานรองนี้คือฐานรองกราไฟต์เคลือบ SiC (หรือที่เรียกว่าถาด)

ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC นิยมใช้เพื่อรองรับและให้ความร้อนแก่พื้นผิวผลึกเดี่ยวในอุปกรณ์การตกตะกอนไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เสถียรภาพทางความร้อน ความสม่ำเสมอของความร้อน และพารามิเตอร์ประสิทธิภาพอื่นๆ ของฐานกราไฟต์เคลือบ SiC มีบทบาทสำคัญต่อคุณภาพของการเจริญเติบโตของวัสดุแบบเอพิเท็กเซียล ดังนั้นจึงเป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ MOCVD

การตกตะกอนไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) เป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียของฟิล์ม GaN ใน LED สีน้ำเงิน มีข้อดีคือใช้งานง่าย ควบคุมอัตราการเจริญเติบโตได้ และได้ฟิล์ม GaN ที่มีความบริสุทธิ์สูง ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบสำคัญในห้องปฏิกิริยาของอุปกรณ์ MOCVD ฐานรองที่ใช้สำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียของฟิล์ม GaN จำเป็นต้องมีคุณสมบัติที่ดี เช่น ทนต่ออุณหภูมิสูง การนำความร้อนสม่ำเสมอ เสถียรภาพทางเคมีที่ดี ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดี เป็นต้น วัสดุกราไฟต์สามารถตอบสนองเงื่อนไขข้างต้นได้

ฐานกราไฟต์เป็นหนึ่งในส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ MOCVD ทำหน้าที่เป็นตัวรองรับและตัวให้ความร้อนของพื้นผิว ซึ่งกำหนดความสม่ำเสมอและความบริสุทธิ์ของวัสดุฟิล์มโดยตรง ดังนั้นคุณภาพของฐานกราไฟต์จึงส่งผลโดยตรงต่อการเตรียมแผ่นฟิล์มแบบเอพิเท็กเซียล และในขณะเดียวกัน เมื่อจำนวนครั้งในการใช้งานเพิ่มขึ้นและสภาพการทำงานเปลี่ยนแปลงไป ฐานกราไฟต์ก็สึกหรอได้ง่ายมาก จึงจัดเป็นวัสดุสิ้นเปลือง

แม้ว่ากราไฟต์จะมีคุณสมบัติการนำความร้อนและความเสถียรที่ดีเยี่ยม และเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของอุปกรณ์ MOCVD ที่ดี แต่ในกระบวนการผลิต กราไฟต์จะกัดกร่อนผงโลหะเนื่องจากสารตกค้างจากก๊าซกัดกร่อนและสารอินทรีย์โลหะ ทำให้ลดอายุการใช้งานของฐานกราไฟต์ลงอย่างมาก นอกจากนี้ ผงกราไฟต์ที่ร่วงหล่นยังก่อให้เกิดมลพิษต่อชิปอีกด้วย

การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีการเคลือบผิวสามารถช่วยยึดผงพื้นผิว เพิ่มการนำความร้อน และกระจายความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งกลายเป็นเทคโนโลยีหลักในการแก้ปัญหานี้ ในสภาพแวดล้อมการใช้งานอุปกรณ์ MOCVD ที่มีฐานเป็นกราไฟต์ การเคลือบผิวฐานกราไฟต์ควรมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

(1) ฐานกราไฟต์สามารถห่อหุ้มได้อย่างสมบูรณ์และมีความหนาแน่นที่ดี มิฉะนั้นฐานกราไฟต์จะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายในก๊าซกัดกร่อน

(2) ความแข็งแรงในการรวมตัวกับฐานกราไฟต์สูงเพื่อให้แน่ใจว่าการเคลือบจะไม่หลุดลอกง่ายหลังจากผ่านวงจรอุณหภูมิสูงและต่ำหลายครั้ง

(3) มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีเพื่อหลีกเลี่ยงการหลุดลอกของสารเคลือบในอุณหภูมิสูงและบรรยากาศที่กัดกร่อน

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีข้อดีคือ ทนต่อการกัดกร่อน นำความร้อนได้ดี ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน และมีเสถียรภาพทางเคมีสูง อีกทั้งยังสามารถใช้งานได้ดีในบรรยากาศการปลูกผลึกแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของ SiC ยังแตกต่างจากกราไฟต์น้อยมาก ดังนั้น SiC จึงเป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับการเคลือบผิวของฐานกราไฟต์

ในปัจจุบัน ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่เป็นชนิด 3C, 4H และ 6H โดยการใช้งานของ SiC แต่ละชนิดจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น 4H-SiC สามารถนำไปผลิตอุปกรณ์กำลังสูงได้ 6H-SiC มีความเสถียรที่สุดและสามารถนำไปผลิตอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริกได้ เนื่องจากมีโครงสร้างคล้ายกับแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) จึงสามารถใช้ 3C-SiC ในการผลิตชั้นเอพิแทกเซียลของ GaN และผลิตอุปกรณ์ RF ที่ใช้ SiC-GaN ได้ นอกจากนี้ 3C-SiC ยังเป็นที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ β-SiC และการใช้งานที่สำคัญของ β-SiC คือการใช้เป็นวัสดุฟิล์มและสารเคลือบ ดังนั้น β-SiC จึงเป็นวัสดุหลักสำหรับการเคลือบในปัจจุบัน

วิธีการเตรียมสารเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์

ในปัจจุบัน วิธีการเตรียมสารเคลือบ SiC ส่วนใหญ่ได้แก่ วิธีเจล-โซล วิธีการฝังตัว วิธีการเคลือบด้วยแปรง วิธีการพ่นพลาสมา วิธีปฏิกิริยาแก๊สเคมี (CVR) และวิธีการตกตะกอนไอเคมี (CVD)

วิธีการฝังข้อมูล:

วิธีการนี้เป็นกระบวนการเผาผนึกแบบของแข็งที่อุณหภูมิสูง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ส่วนผสมของผงซิลิคอนและผงคาร์บอนเป็นผงฝังตัว โดยวางเมทริกซ์กราไฟต์ไว้ในผงฝังตัว และทำการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศก๊าซเฉื่อย จนได้ชั้นเคลือบ SiC บนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์ กระบวนการนี้เรียบง่ายและการยึดเกาะระหว่างชั้นเคลือบกับพื้นผิวดี แต่ความสม่ำเสมอของชั้นเคลือบตามความหนาไม่ดี ทำให้เกิดรูพรุนได้ง่ายและส่งผลให้ความต้านทานต่อการออกซิเดชันต่ำ

วิธีการทาสีด้วยแปรง:

วิธีการเคลือบด้วยแปรงนั้นหลักๆ แล้วคือการทาของเหลวที่เป็นวัตถุดิบลงบนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์ จากนั้นจึงอบวัตถุดิบที่อุณหภูมิที่กำหนดเพื่อเตรียมการเคลือบ กระบวนการนี้ง่ายและต้นทุนต่ำ แต่การเคลือบที่เตรียมโดยวิธีการเคลือบด้วยแปรงนั้นยึดเกาะกับพื้นผิวได้ไม่ดี ความสม่ำเสมอของการเคลือบไม่ดี การเคลือบบาง และความต้านทานต่อการออกซิเดชันต่ำ จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการอื่นๆ มาช่วยเสริม

วิธีการพ่นพลาสม่า:

วิธีการพ่นพลาสม่าเป็นวิธีการหลักในการพ่นวัตถุดิบที่หลอมเหลวหรือกึ่งหลอมเหลวลงบนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์ด้วยปืนพลาสม่า จากนั้นปล่อยให้แข็งตัวและยึดติดกันเพื่อสร้างเป็นชั้นเคลือบ วิธีนี้ใช้งานง่ายและสามารถเตรียมชั้นเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นค่อนข้างสูงได้ แต่ชั้นเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เตรียมด้วยวิธีนี้มักจะบางเกินไปและทำให้ความต้านทานต่อการออกซิเดชันต่ำ ดังนั้นโดยทั่วไปจึงใช้ในการเตรียมชั้นเคลือบ SiC คอมโพสิตเพื่อปรับปรุงคุณภาพของชั้นเคลือบ

วิธีเจลโซล:

วิธีการเจล-ซอลเป็นหลักคือการเตรียมสารละลายซอลที่สม่ำเสมอและโปร่งใสเพื่อเคลือบผิวของวัสดุตั้งต้น จากนั้นทำให้แห้งจนกลายเป็นเจล แล้วจึงนำไปเผาผนึกเพื่อให้ได้สารเคลือบ วิธีนี้ใช้งานง่ายและต้นทุนต่ำ แต่สารเคลือบที่ได้มีข้อเสียบางประการ เช่น ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้น้อยและแตกง่าย จึงยังไม่สามารถนำมาใช้ได้อย่างแพร่หลาย

ปฏิกิริยาเคมีก๊าซ (CVR) :

กระบวนการ CVR ส่วนใหญ่สร้างชั้นเคลือบ SiC โดยใช้ผง Si และ SiO2 เพื่อสร้างไอน้ำ SiO ที่อุณหภูมิสูง และเกิดปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างบนพื้นผิวของวัสดุคาร์บอน ชั้นเคลือบ SiC ที่เตรียมได้ด้วยวิธีนี้จะยึดติดกับพื้นผิวได้ดี แต่มีอุณหภูมิปฏิกิริยาสูงและต้นทุนสูงกว่า

การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD) :

ในปัจจุบัน CVD เป็นเทคโนโลยีหลักในการเตรียมสารเคลือบ SiC บนพื้นผิวของวัสดุรองรับ กระบวนการหลักคือปฏิกิริยาทางกายภาพและเคมีของสารตั้งต้นในสถานะแก๊สบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ และในที่สุดจะได้สารเคลือบ SiC โดยการตกตะกอนบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ สารเคลือบ SiC ที่เตรียมโดยเทคโนโลยี CVD จะยึดติดกับพื้นผิวของวัสดุรองรับอย่างแน่นหนา ซึ่งสามารถปรับปรุงความต้านทานต่อการออกซิเดชันและความต้านทานต่อการกัดกร่อนของวัสดุรองรับได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่กระบวนการตกตะกอนด้วยวิธีนี้ใช้เวลานาน และแก๊สที่ใช้ในการทำปฏิกิริยามีพิษอยู่บ้าง

สถานการณ์ตลาดของฐานกราไฟต์เคลือบ SiC

เมื่อผู้ผลิตต่างชาติเริ่มต้นก่อน พวกเขามีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนและส่วนแบ่งการตลาดสูง ในระดับสากล ผู้ผลิตหลักของฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ได้แก่ Xycard จากเนเธอร์แลนด์ SGL Carbon (SGL) จากเยอรมนี Toyo Carbon จากญี่ปุ่น MEMC จากสหรัฐอเมริกา และบริษัทอื่นๆ ซึ่งครองตลาดระหว่างประเทศเป็นส่วนใหญ่ แม้ว่าจีนจะประสบความสำเร็จในการพัฒนาเทคโนโลยีหลักที่สำคัญคือการเจริญเติบโตอย่างสม่ำเสมอของสารเคลือบ SiC บนพื้นผิวของเมทริกซ์กราไฟต์ แต่เมทริกซ์กราไฟต์คุณภาพสูงยังคงต้องพึ่งพา SGL จากเยอรมนี Toyo Carbon จากญี่ปุ่น และบริษัทอื่นๆ เมทริกซ์กราไฟต์ที่จัดหาโดยบริษัทในประเทศส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานเนื่องจากค่าการนำความร้อน โมดูลัสความยืดหยุ่น โมดูลัสความแข็งแกร่ง ข้อบกพร่องของโครงสร้าง และปัญหาคุณภาพอื่นๆ อุปกรณ์ MOCVD ก็ไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการใช้งานฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ได้

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของจีนกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว ด้วยอัตราการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของการผลิตอุปกรณ์ MOCVD แบบ epitaxial และการขยายตัวของการประยุกต์ใช้กระบวนการอื่นๆ ตลาดผลิตภัณฑ์ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ในอนาคตคาดว่าจะเติบโตอย่างรวดเร็ว ตามการประมาณการเบื้องต้นของอุตสาหกรรม ตลาดฐานกราไฟต์ในประเทศจะมีมูลค่าเกิน 500 ล้านหยวนในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ฐานกราไฟต์เคลือบ SiC เป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์การผลิตสารกึ่งตัวนำแบบผสม การควบคุมเทคโนโลยีหลักในการผลิตและแป้งรูป และการทำให้เกิดการผลิตในประเทศตลอดทั้งห่วงโซ่อุตสาหกรรมวัตถุดิบ-กระบวนการ-อุปกรณ์ มีความสำคัญเชิงกลยุทธ์อย่างยิ่งต่อการรับประกันการพัฒนาอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำของจีน ตลาดฐานกราไฟต์เคลือบ SiC ในประเทศกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว และคุณภาพของผลิตภัณฑ์จะสามารถก้าวไปสู่ระดับสากลได้ในไม่ช้า