Графітові основи з покриттям SiC зазвичай використовуються для підтримки та нагрівання монокристалічних підкладок в обладнанні для металоорганічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD). Термічна стабільність, термічна однорідність та інші параметри продуктивності графітової основи з покриттям SiC відіграють вирішальну роль у якості епітаксіального вирощування матеріалу, тому вона є ключовим компонентом обладнання MOCVD.
У процесі виробництва пластин на деяких підкладках додатково створюються епітаксіальні шари для полегшення виготовлення пристроїв. Типові світлодіодні світлодіодні пристрої потребують підготовки епітаксіальних шарів GaAs на кремнієвих підкладках; епітаксіальний шар SiC вирощується на провідній підкладці SiC для створення пристроїв, таких як SBD, MOSFET тощо, для високовольтних, сильних струмів та інших енергетичних застосувань; епітаксіальний шар GaN будується на напівізольованій підкладці SiC для подальшого створення HEMT та інших пристроїв для радіочастотних застосувань, таких як зв'язок. Цей процес невіддільний від обладнання для хіміко-хімічного окиснення (CVD).
В обладнанні CVD підкладку не можна розміщувати безпосередньо на металі або просто на основі для епітаксіального осадження, оскільки це пов'язано з потоком газу (горизонтальним, вертикальним), температурою, тиском, фіксацією, виділенням забруднюючих речовин та іншими факторами впливу. Тому потрібна основа, потім підкладка розміщується на диску, а потім епітаксіальне осадження проводиться на підкладці за допомогою технології CVD, і ця основа - це графітова основа з покриттям SiC (також відома як лоток).
Графітові основи з покриттям SiC зазвичай використовуються для підтримки та нагрівання монокристалічних підкладок в обладнанні для металоорганічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD). Термічна стабільність, термічна однорідність та інші параметри продуктивності графітової основи з покриттям SiC відіграють вирішальну роль у якості епітаксіального вирощування матеріалу, тому вона є ключовим компонентом обладнання MOCVD.
Металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD) є основною технологією епітаксіального вирощування плівок GaN у синіх світлодіодах. Вона має переваги простої експлуатації, контрольованої швидкості росту та високої чистоти плівок GaN. Як важливий компонент реакційної камери обладнання MOCVD, опорна основа, що використовується для епітаксіального вирощування плівок GaN, повинна мати такі переваги, як висока термостійкість, рівномірна теплопровідність, добра хімічна стабільність, висока термостійкість тощо. Графітовий матеріал може відповідати вищезазначеним умовам.
Як один з основних компонентів обладнання MOCVD, графітова основа є носієм та нагрівальним тілом підкладки, що безпосередньо визначає однорідність та чистоту плівкового матеріалу, тому її якість безпосередньо впливає на підготовку епітаксіального листа, і водночас, зі збільшенням кількості використань та зміною умов роботи, вона дуже легко зношується, що належить до витратних матеріалів.
Хоча графіт має чудову теплопровідність і стабільність, він має хороші переваги як базовий компонент обладнання MOCVD, але в процесі виробництва графіт роз'їдає порошок через залишки агресивних газів та металевих органічних речовин, що значно скорочує термін служби графітової основи. Водночас, падаючий графітовий порошок забруднює стружку.
Поява технології покриття може забезпечити фіксацію поверхневого порошку, покращити теплопровідність та вирівняти розподіл тепла, що стало основною технологією для вирішення цієї проблеми. Графітова основа в середовищі використання обладнання MOCVD, поверхневе покриття на графітовій основі повинно відповідати наступним характеристикам:
(1) Графітову основу можна повністю обгорнути, а щільність хороша, інакше графітову основу легко кородувати в агресивному газі.
(2) Міцність поєднання з графітовою основою висока, що гарантує, що покриття не легко відпадає після кількох циклів високої та низької температури.
(3) Має добру хімічну стабільність, що запобігає руйнуванню покриття за високих температур та в агресивному середовищі.
Карбід кремнію (SiC) має такі переваги, як стійкість до корозії, висока теплопровідність, стійкість до термічних ударів та висока хімічна стабільність, і може добре працювати в епітаксіальній атмосфері GaN. Крім того, коефіцієнт теплового розширення SiC дуже мало відрізняється від коефіцієнта теплового розширення графіту, тому SiC є кращим матеріалом для поверхневого покриття графітової основи.
Наразі поширеним SiC є переважно типів 3C, 4H та 6H, і використання SiC різних типів кристалів різне. Наприклад, 4H-SiC може використовуватися для виробництва потужних пристроїв; 6H-SiC є найстабільнішим і може використовуватися для виробництва фотоелектричних пристроїв; завдяки своїй структурі, подібній до GaN, 3C-SiC може використовуватися для створення епітаксіального шару GaN та виробництва радіочастотних пристроїв SiC-GaN. 3C-SiC також широко відомий як β-SiC, і важливим застосуванням β-SiC є виготовлення плівкових та покривних матеріалів, тому β-SiC наразі є основним матеріалом для покриттів.
Спосіб приготування покриття з карбіду кремнію
Наразі методи приготування SiC-покриттів включають переважно гель-зольний метод, метод заливки, метод нанесення пензлем, метод плазмового напилення, метод хімічної газової реакції (CVR) та метод хімічного осадження з парової фази (CVD).
Спосіб вбудовування:
Цей метод являє собою різновид високотемпературного твердофазного спікання, в якому в основному використовується суміш порошку Si та порошку C як заливний порошок, графітова матриця поміщається в заливний порошок, а високотемпературне спікання проводиться в інертному газі, і, нарешті, на поверхні графітової матриці отримується покриття SiC. Процес простий, а поєднання покриття та підкладки хороше, але рівномірність покриття вздовж напрямку товщини погана, що легко призводить до утворення більшої кількості отворів та низької стійкості до окислення.
Метод нанесення пензлем:
Метод нанесення покриття пензлем полягає в основному у нанесенні рідкої сировини пензлем на поверхню графітової матриці, а потім у формуванні покриття за певної температури. Процес простий і низький, але покриття, отримане методом нанесення пензлем, має слабку структуру та низьку стійкість до окислення, тому для його покращення потрібні інші методи.
Метод плазмового напилення:
Метод плазмового напилення полягає в основному в нанесенні розплавленої або напіврозплавленої сировини на поверхню графітової матриці за допомогою плазмової гармати, а потім її затвердіння та зв'язування з утворенням покриття. Метод простий в експлуатації та дозволяє отримати відносно щільне карбідокремнієве покриття, але карбідокремнієве покриття, отримане цим методом, часто є занадто слабким і призводить до слабкої стійкості до окислення, тому його зазвичай використовують для отримання композитного покриття SiC з метою покращення якості покриття.
Гель-золь метод:
Гель-золь-метод полягає головним чином у приготуванні однорідного та прозорого розчину золю, що покриває поверхню матриці, його висиханні до утворення гелю та подальшому спіканні для отримання покриття. Цей метод простий у використанні та низький у вартості, але отримане покриття має деякі недоліки, такі як низька термостійкість та легке розтріскування, тому воно не може бути широко використане.
Хімічна газова реакція (ХГР):
CVR в основному генерує покриття SiC, використовуючи порошок Si та SiO2 для генерації пари SiO за високої температури, і на поверхні підкладки з матеріалу C відбувається серія хімічних реакцій. Покриття SiC, отримане цим методом, щільно зв'язується з підкладкою, але температура реакції вища, а вартість вища.
Хімічне осадження з парової фази (ХОО):
Наразі CVD є основною технологією для приготування SiC-покриття на поверхні підкладки. Основний процес являє собою серію фізичних та хімічних реакцій газофазного реагенту на поверхні підкладки, і, нарешті, SiC-покриття готується шляхом осадження на поверхню підкладки. SiC-покриття, отримане за допомогою технології CVD, щільно зв'язується з поверхнею підкладки, що може ефективно покращити стійкість до окислення та абляційну стійкість матеріалу підкладки, але час осадження цього методу довший, а реакційний газ містить певну кількість токсичних речовин.
Ринкова ситуація на основі графіту з покриттям SiC
Коли іноземні виробники починали свою діяльність на ранніх етапах, вони мали чітке лідерство та високу частку ринку. На міжнародному рівні основними постачальниками графіту з покриттям SiC є голландська Xycard, німецька SGL Carbon (SGL), японська Toyo Carbon, американська MEMC та інші компанії, які в основному займають міжнародний ринок. Хоча Китай прорвався в розробку ключової технології рівномірного нанесення покриття SiC на поверхню графітової матриці, високоякісна графітова матриця все ще залежить від німецької SGL, японської Toyo Carbon та інших підприємств, графітова матриця, що постачається вітчизняними підприємствами, впливає на термін служби через теплопровідність, модуль пружності, модуль жорсткості, дефекти кристалічної решітки та інші проблеми з якістю. Обладнання MOCVD не може задовольнити вимоги використання графіту з покриттям SiC.
Китайська напівпровідникова промисловість швидко розвивається. З поступовим збільшенням темпів локалізації обладнання для епітаксіального осаджування методом MOCVD та розширенням інших технологічних застосувань очікується швидке зростання ринку продукції на основі графіту з покриттям SiC у майбутньому. За попередніми оцінками галузі, внутрішній ринок графіту перевищить 500 мільйонів юанів протягом наступних кількох років.
Графіт на основі SiC є основним компонентом обладнання для індустріалізації складних напівпровідників, освоєння ключової технології його виробництва та виготовлення, а також реалізація локалізації всього ланцюжка сировини, процесу та обладнання має велике стратегічне значення для забезпечення розвитку напівпровідникової промисловості Китаю. Галузь вітчизняної графітової основи на основі SiC переживає бурхливий розвиток, і якість продукції може незабаром досягти передового міжнародного рівня.
Час публікації: 24 липня 2023 р.