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 ดังนั้น จึงจำเป็นต้องใช้ฐาน จากนั้นวางพื้นผิวบนดิสก์ แล้วใช้เทคโนโลยี CVD ในการสะสมแบบเอพิแทกเซียลบนพื้นผิว ซึ่งก็คือฐานกราไฟต์เคลือบ 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