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 หรือวางบนฐานรองเพื่อทำการตกตะกอนแบบเอพิเท็กเซียได้ เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการไหลของก๊าซ (แนวนอน แนวตั้ง) อุณหภูมิ ความดัน การยึดตรึง การกำจัดมลพิษ และปัจจัยอื่นๆ ที่มีผลต่อกระบวนการ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ฐานรองก่อน จากนั้นจึงวางวัสดุตั้งต้นลงบนฐานรองที่เป็นแผ่นกลม แล้วจึงใช้เทคโนโลยี CVD ในการตกตะกอนแบบเอพิเท็กเซียลงบนวัสดุตั้งต้นนั้น ซึ่งก็คือฐานรองกราไฟต์เคลือบ SiC (หรือที่เรียกว่าถาดรอง)

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