Linh kiện bán dẫn – Đế than chì phủ SiC

Các đế than chì phủ SiC thường được sử dụng để đỡ và gia nhiệt các chất nền tinh thể đơn trong thiết bị lắng đọng hơi hóa học kim loại hữu cơ (MOCVD). Độ ổn định nhiệt, độ đồng đều nhiệt và các thông số hiệu suất khác của đế than chì phủ SiC đóng vai trò quyết định đến chất lượng của quá trình tăng trưởng vật liệu epitaxy, do đó nó là thành phần cốt lõi quan trọng của thiết bị MOCVD.

Trong quy trình sản xuất tấm bán dẫn, các lớp màng mỏng kết tinh được tạo thêm trên một số chất nền bán dẫn để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo các thiết bị. Các thiết bị phát sáng LED điển hình cần chuẩn bị các lớp màng mỏng kết tinh GaAs trên chất nền silicon; lớp màng mỏng kết tinh SiC được nuôi cấy trên chất nền SiC dẫn điện để chế tạo các thiết bị như SBD, MOSFET, v.v., cho các ứng dụng điện áp cao, dòng điện cao và các ứng dụng công suất khác; lớp màng mỏng kết tinh GaN được tạo trên chất nền SiC bán cách điện để tiếp tục chế tạo HEMT và các thiết bị khác cho các ứng dụng tần số vô tuyến như truyền thông. Quá trình này không thể tách rời khỏi thiết bị CVD.

Trong thiết bị CVD, chất nền không thể được đặt trực tiếp lên kim loại hoặc đơn giản là đặt lên đế để lắng đọng epitaxy, vì điều này liên quan đến luồng khí (ngang, dọc), nhiệt độ, áp suất, cố định, sự phát tán chất gây ô nhiễm và các yếu tố ảnh hưởng khác. Do đó, cần có một đế, sau đó chất nền được đặt lên đĩa, và sau đó quá trình lắng đọng epitaxy được thực hiện trên chất nền bằng công nghệ CVD, và đế này là đế than chì phủ SiC (còn được gọi là khay).

Các đế than chì phủ SiC thường được sử dụng để đỡ và gia nhiệt các chất nền tinh thể đơn trong thiết bị lắng đọng hơi hóa học kim loại hữu cơ (MOCVD). Độ ổn định nhiệt, độ đồng đều nhiệt và các thông số hiệu suất khác của đế than chì phủ SiC đóng vai trò quyết định đến chất lượng của quá trình tăng trưởng vật liệu epitaxy, do đó nó là thành phần cốt lõi quan trọng của thiết bị MOCVD.

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học kim loại-hữu cơ (MOCVD) là công nghệ chủ đạo để nuôi cấy màng GaN theo kiểu epitaxy trong đèn LED xanh. Phương pháp này có ưu điểm là thao tác đơn giản, tốc độ tăng trưởng có thể kiểm soát được và độ tinh khiết cao của màng GaN. Là một thành phần quan trọng trong buồng phản ứng của thiết bị MOCVD, đế đỡ được sử dụng để nuôi cấy màng GaN theo kiểu epitaxy cần có các ưu điểm như khả năng chịu nhiệt độ cao, dẫn nhiệt đồng đều, độ ổn định hóa học tốt, khả năng chống sốc nhiệt mạnh, v.v. Vật liệu than chì có thể đáp ứng được các điều kiện trên.

Là một trong những thành phần cốt lõi của thiết bị MOCVD, đế than chì đóng vai trò là chất mang và vật liệu gia nhiệt của chất nền, quyết định trực tiếp đến độ đồng nhất và độ tinh khiết của vật liệu màng, do đó chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chế tạo tấm màng mỏng epitaxy. Đồng thời,隨著 số lần sử dụng tăng lên và điều kiện làm việc thay đổi, nó rất dễ bị mòn, thuộc loại vật tư tiêu hao.

Mặc dù than chì có độ dẫn nhiệt và độ ổn định tuyệt vời, là một ưu điểm lớn khi được sử dụng làm thành phần cơ bản của thiết bị MOCVD, nhưng trong quá trình sản xuất, bột than chì sẽ bị ăn mòn do dư lượng khí ăn mòn và các hợp chất hữu cơ kim loại, làm giảm đáng kể tuổi thọ của đế than chì. Đồng thời, bột than chì rơi vãi sẽ gây ô nhiễm cho chip.

Sự xuất hiện của công nghệ phủ có thể giúp cố định bột trên bề mặt, tăng cường độ dẫn nhiệt và phân bố nhiệt đều, trở thành công nghệ chính để giải quyết vấn đề này. Trong môi trường sử dụng thiết bị MOCVD, lớp phủ bề mặt của đế than chì cần đáp ứng các đặc điểm sau:

(1) Đế than chì có thể được bao bọc hoàn toàn và có mật độ tốt, nếu không thì đế than chì dễ bị ăn mòn trong khí ăn mòn.

(2) Độ bền kết hợp với nền than chì cao để đảm bảo lớp phủ không dễ bị bong ra sau một số chu kỳ nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp.

(3) Nó có độ ổn định hóa học tốt để tránh hỏng lớp phủ ở nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn.

SiC có những ưu điểm như khả năng chống ăn mòn, độ dẫn nhiệt cao, khả năng chịu sốc nhiệt và độ ổn định hóa học cao, và có thể hoạt động tốt trong môi trường nuôi cấy GaN. Ngoài ra, hệ số giãn nở nhiệt của SiC khác biệt rất ít so với than chì, do đó SiC là vật liệu được ưu tiên sử dụng cho lớp phủ bề mặt trên nền than chì.

Hiện nay, SiC phổ biến chủ yếu là loại 3C, 4H và 6H, và các loại tinh thể SiC khác nhau có công dụng khác nhau. Ví dụ, 4H-SiC có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị công suất cao; 6H-SiC ổn định nhất và có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị quang điện; do cấu trúc tương tự GaN, 3C-SiC có thể được sử dụng để tạo lớp màng GaN và chế tạo các thiết bị RF SiC-GaN. 3C-SiC cũng thường được gọi là β-SiC, và một ứng dụng quan trọng của β-SiC là làm vật liệu màng và lớp phủ, vì vậy β-SiC hiện là vật liệu chính được sử dụng để phủ.

Phương pháp chuẩn bị lớp phủ cacbua silic

Hiện nay, các phương pháp chế tạo lớp phủ SiC chủ yếu bao gồm phương pháp gel-sol, phương pháp nhúng, phương pháp phủ bằng cọ, phương pháp phun plasma, phương pháp phản ứng khí hóa học (CVR) và phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Phương pháp nhúng:

Phương pháp này là một dạng thiêu kết pha rắn ở nhiệt độ cao, chủ yếu sử dụng hỗn hợp bột Si và bột C làm bột nhúng, đặt ma trận than chì vào trong bột nhúng, và tiến hành thiêu kết ở nhiệt độ cao trong khí trơ, cuối cùng thu được lớp phủ SiC trên bề mặt ma trận than chì. Quy trình đơn giản và sự kết hợp giữa lớp phủ và chất nền tốt, nhưng độ đồng nhất của lớp phủ theo chiều dày kém, dễ tạo ra nhiều lỗ hổng và dẫn đến khả năng chống oxy hóa kém.

Phương pháp sơn phủ bằng cọ:

Phương pháp phủ bằng cọ chủ yếu là quét nguyên liệu lỏng lên bề mặt chất nền than chì, sau đó làm khô nguyên liệu ở nhiệt độ nhất định để tạo lớp phủ. Quy trình đơn giản và chi phí thấp, nhưng lớp phủ được tạo ra bằng phương pháp phủ bằng cọ có độ bám dính yếu với chất nền, độ đồng đều của lớp phủ kém, lớp phủ mỏng và khả năng chống oxy hóa thấp, cần các phương pháp hỗ trợ khác.

Phương pháp phun plasma:

Phương pháp phun plasma chủ yếu là phun các nguyên liệu thô đã nóng chảy hoặc bán nóng chảy lên bề mặt ma trận than chì bằng súng plasma, sau đó làm đông đặc và liên kết để tạo thành lớp phủ. Phương pháp này dễ vận hành và có thể tạo ra lớp phủ silicon carbide tương đối đặc, nhưng lớp phủ silicon carbide được tạo ra bằng phương pháp này thường quá yếu và dẫn đến khả năng chống oxy hóa kém, vì vậy nó thường được sử dụng để chế tạo lớp phủ composite SiC nhằm cải thiện chất lượng lớp phủ.

Phương pháp Gel-sol:

Phương pháp gel-sol chủ yếu bao gồm việc chuẩn bị một dung dịch sol đồng nhất và trong suốt để phủ lên bề mặt chất nền, làm khô thành dạng gel rồi nung để thu được lớp phủ. Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp, nhưng lớp phủ tạo ra có một số nhược điểm như khả năng chịu sốc nhiệt thấp và dễ bị nứt, do đó không được sử dụng rộng rãi.

Phản ứng khí hóa học (CVR):

Công nghệ CVR chủ yếu tạo ra lớp phủ SiC bằng cách sử dụng bột Si và SiO2 để tạo ra hơi SiO ở nhiệt độ cao, và một loạt các phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt chất nền C. Lớp phủ SiC được điều chế bằng phương pháp này liên kết chặt chẽ với chất nền, nhưng nhiệt độ phản ứng cao hơn và chi phí cao hơn.

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD):

Hiện nay, CVD là công nghệ chính để chế tạo lớp phủ SiC trên bề mặt chất nền. Quá trình chính là một loạt các phản ứng vật lý và hóa học của vật liệu phản ứng ở dạng khí trên bề mặt chất nền, và cuối cùng lớp phủ SiC được tạo ra bằng cách lắng đọng trên bề mặt chất nền. Lớp phủ SiC được chế tạo bằng công nghệ CVD liên kết chặt chẽ với bề mặt chất nền, có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống oxy hóa và chống mài mòn của vật liệu chất nền, nhưng thời gian lắng đọng của phương pháp này dài hơn và khí phản ứng có chứa một số khí độc hại.

Tình hình thị trường của chất nền than chì phủ SiC

Khi các nhà sản xuất nước ngoài bắt đầu sớm, họ đã có lợi thế rõ rệt và thị phần cao. Trên thị trường quốc tế, các nhà cung cấp chính của chất nền than chì phủ SiC là Xycard của Hà Lan, SGL Carbon (SGL) của Đức, Toyo Carbon của Nhật Bản, MEMC của Hoa Kỳ và các công ty khác, về cơ bản chiếm lĩnh thị trường quốc tế. Mặc dù Trung Quốc đã đột phá công nghệ cốt lõi quan trọng là sự phát triển đồng đều của lớp phủ SiC trên bề mặt ma trận than chì, nhưng ma trận than chì chất lượng cao vẫn phụ thuộc vào SGL của Đức, Toyo Carbon của Nhật Bản và các doanh nghiệp khác. Ma trận than chì do các doanh nghiệp trong nước cung cấp bị ảnh hưởng đến tuổi thọ do các vấn đề về độ dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi, mô đun cứng, khuyết tật mạng tinh thể và các vấn đề chất lượng khác. Thiết bị MOCVD không thể đáp ứng được yêu cầu sử dụng chất nền than chì phủ SiC.

Ngành công nghiệp bán dẫn của Trung Quốc đang phát triển nhanh chóng, với sự gia tăng dần tỷ lệ nội địa hóa thiết bị lắng đọng màng mỏng MOCVD và sự mở rộng ứng dụng các quy trình khác, thị trường sản phẩm nền than chì phủ SiC trong tương lai dự kiến ​​sẽ tăng trưởng nhanh. Theo ước tính sơ bộ của ngành, thị trường nền than chì trong nước sẽ vượt quá 500 triệu nhân dân tệ trong vài năm tới.

Tấm nền than chì phủ SiC là thành phần cốt lõi của thiết bị công nghiệp hóa bán dẫn phức hợp, việc nắm vững công nghệ cốt lõi quan trọng trong sản xuất và chế tạo, cũng như hiện thực hóa việc nội địa hóa toàn bộ chuỗi công nghiệp nguyên liệu - quy trình - thiết bị có ý nghĩa chiến lược to lớn đối với việc đảm bảo sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn Trung Quốc. Lĩnh vực sản xuất tấm nền than chì phủ SiC trong nước đang phát triển mạnh mẽ, và chất lượng sản phẩm có thể sớm đạt đến trình độ tiên tiến quốc tế.