SiC-beschichtete Graphitsubstrate werden häufig zur Unterstützung und Erwärmung von Einkristallsubstraten in MOCVD-Anlagen (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) eingesetzt. Die thermische Stabilität, die thermische Homogenität und andere Leistungsparameter der SiC-beschichteten Graphitsubstrate spielen eine entscheidende Rolle für die Qualität des epitaxialen Materialwachstums und sind daher eine zentrale Schlüsselkomponente von MOCVD-Anlagen.
Im Rahmen der Waferherstellung werden auf einigen Wafersubstraten Epitaxieschichten aufgebracht, um die Fertigung von Bauelementen zu ermöglichen. Typische LEDs benötigen GaAs-Epitaxieschichten auf Siliziumsubstraten. Für die Herstellung von Bauelementen wie SBDs, MOSFETs usw. für Hochspannungs-, Hochstrom- und andere Leistungsanwendungen wird eine SiC-Epitaxieschicht auf leitfähigen SiC-Substraten abgeschieden. Eine GaN-Epitaxieschicht wird auf halbisolierenden SiC-Substraten aufgebracht, um HEMTs und andere Bauelemente für HF-Anwendungen wie die Kommunikation herzustellen. Dieser Prozess ist untrennbar mit CVD-Anlagen verbunden.
Bei CVD-Anlagen kann das Substrat nicht direkt auf das Metall oder einfach auf eine Trägerplatte für die Epitaxie gelegt werden, da dies Einflussfaktoren wie Gasströmung (horizontal, vertikal), Temperatur, Druck, Fixierung, Ablösung von Verunreinigungen und andere Aspekte mit sich bringt. Daher ist eine Trägerplatte erforderlich, auf der das Substrat platziert wird. Anschließend erfolgt die Epitaxie mittels CVD-Technologie. Diese Trägerplatte besteht aus SiC-beschichtetem Graphit (auch als Substratträger bezeichnet).
SiC-beschichtete Graphitsubstrate werden häufig zur Unterstützung und Erwärmung von Einkristallsubstraten in MOCVD-Anlagen (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) eingesetzt. Die thermische Stabilität, die thermische Homogenität und andere Leistungsparameter der SiC-beschichteten Graphitsubstrate spielen eine entscheidende Rolle für die Qualität des epitaxialen Materialwachstums und sind daher eine zentrale Schlüsselkomponente von MOCVD-Anlagen.
Die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) ist die gängigste Technologie für das epitaktische Wachstum von GaN-Schichten in blauen LEDs. Sie zeichnet sich durch einfache Handhabung, kontrollierbare Wachstumsrate und hohe Reinheit der GaN-Schichten aus. Als wichtige Komponente der Reaktionskammer von MOCVD-Anlagen muss die für das epitaktische Wachstum der GaN-Schicht verwendete Trägerschicht hohe Temperaturbeständigkeit, gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit, gute chemische Stabilität und hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Graphit erfüllt diese Anforderungen.
Als eine der Kernkomponenten von MOCVD-Anlagen dient die Graphitbasis als Träger und Heizkörper des Substrats und bestimmt somit direkt die Gleichmäßigkeit und Reinheit des Schichtmaterials. Ihre Qualität beeinflusst daher unmittelbar die Herstellung der Epitaxieschicht. Gleichzeitig unterliegt sie mit zunehmender Anzahl der Anwendungen und sich ändernden Arbeitsbedingungen einem sehr leichten Verschleiß und zählt daher zu den Verbrauchsmaterialien.
Obwohl Graphit eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Stabilität aufweist und sich daher als Basiskomponente von MOCVD-Anlagen bewährt hat, korrodiert es im Produktionsprozess aufgrund von Rückständen korrosiver Gase und metallorganischer Verbindungen, wodurch die Lebensdauer der Graphitbasis erheblich reduziert wird. Gleichzeitig führt das herabfallende Graphitpulver zu Verunreinigungen des Chips.
Die Entwicklung von Beschichtungstechnologien ermöglicht die Fixierung von Oberflächenpulver, verbessert die Wärmeleitfähigkeit und sorgt für eine gleichmäßige Wärmeverteilung. Sie hat sich somit zur wichtigsten Technologie zur Lösung dieses Problems entwickelt. Bei der Verwendung von Graphit in MOCVD-Anlagen muss die Graphit-basierte Oberflächenbeschichtung folgende Eigenschaften aufweisen:
(1) Die Graphitbasis kann vollständig umhüllt sein und eine gute Dichte aufweisen, da die Graphitbasis sonst in korrosiven Gasen leicht korrodiert.
(2) Die hohe Festigkeit der Verbindung mit der Graphitbasis gewährleistet, dass sich die Beschichtung auch nach mehreren Zyklen mit hohen und niedrigen Temperaturen nicht so leicht ablöst.
(3) Es verfügt über eine gute chemische Stabilität, um ein Versagen der Beschichtung bei hohen Temperaturen und in korrosiver Atmosphäre zu vermeiden.
SiC zeichnet sich durch Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und hohe chemische Stabilität aus und eignet sich hervorragend für die GaN-Epitaxie. Darüber hinaus unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient von SiC nur geringfügig von dem von Graphit, weshalb SiC das bevorzugte Material für die Oberflächenbeschichtung von Graphitsubstraten ist.
Derzeit werden hauptsächlich SiC-Typen wie 3C, 4H und 6H verwendet, wobei die Anwendungsgebiete je nach Kristalltyp variieren. So eignet sich 4H-SiC beispielsweise für die Herstellung von Hochleistungsbauelementen; 6H-SiC ist am stabilsten und wird für photoelektrische Bauelemente eingesetzt; aufgrund seiner ähnlichen Struktur zu GaN kann 3C-SiC zur Herstellung von GaN-Epitaxieschichten und SiC-GaN-HF-Bauelementen verwendet werden. 3C-SiC ist auch unter der Bezeichnung β-SiC bekannt und wird häufig als Film- und Beschichtungsmaterial eingesetzt, weshalb β-SiC derzeit das wichtigste Beschichtungsmaterial darstellt.
Verfahren zur Herstellung einer Siliciumcarbid-Beschichtung
Zu den aktuellen Herstellungsverfahren für SiC-Beschichtungen zählen hauptsächlich das Gel-Sol-Verfahren, das Einbettungsverfahren, das Bürstenbeschichtungsverfahren, das Plasmaspritzverfahren, das chemische Gasreaktionsverfahren (CVR) und das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD).
Einbettungsmethode:
Das Verfahren ist eine Art Hochtemperatur-Festphasensintern, bei dem hauptsächlich ein Gemisch aus Silizium- und Kohlenstoffpulver als Einbettungspulver verwendet wird. Die Graphitmatrix wird in dieses Einbettungspulver eingebettet und das Hochtemperatursintern unter Schutzgas durchgeführt. Abschließend entsteht eine SiC-Beschichtung auf der Oberfläche der Graphitmatrix. Das Verfahren ist einfach und die Haftung zwischen Beschichtung und Substrat ist gut, jedoch ist die Beschichtung in Dickenrichtung ungleichmäßig, was die Bildung von Poren begünstigt und zu einer geringen Oxidationsbeständigkeit führt.
Pinselbeschichtungsmethode:
Das Pinselbeschichtungsverfahren besteht im Wesentlichen darin, das flüssige Rohmaterial auf die Oberfläche der Graphitmatrix aufzutragen und anschließend bei einer bestimmten Temperatur auszuhärten. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig, jedoch ist die Haftung der so erzeugten Beschichtung auf dem Substrat schwach, die Beschichtungsgleichmäßigkeit gering, die Schichtdicke dünn und die Oxidationsbeständigkeit niedrig. Daher sind ergänzende Verfahren erforderlich.
Plasmaspritzverfahren:
Beim Plasmaspritzen werden geschmolzene oder halbgeschmolzene Rohstoffe mit einer Plasmapistole auf die Oberfläche einer Graphitmatrix gesprüht und verfestigen sich anschließend zu einer Beschichtung. Das Verfahren ist einfach anzuwenden und ermöglicht die Herstellung relativ dichter Siliciumcarbid-Beschichtungen. Diese sind jedoch oft zu schwach und weisen eine geringe Oxidationsbeständigkeit auf. Daher wird das Verfahren üblicherweise zur Herstellung von SiC-Verbundbeschichtungen eingesetzt, um die Beschichtungsqualität zu verbessern.
Gel-Sol-Verfahren:
Das Gel-Sol-Verfahren besteht im Wesentlichen darin, eine gleichmäßige und transparente Sol-Lösung auf die Oberfläche des Trägermaterials aufzutragen, diese zu einem Gel trocknen zu lassen und anschließend zu sintern, um eine Beschichtung zu erhalten. Dieses Verfahren ist einfach durchzuführen und kostengünstig, die erzeugte Beschichtung weist jedoch einige Nachteile auf, wie z. B. geringe Temperaturwechselbeständigkeit und Rissneigung, weshalb es keine breite Anwendung findet.
Chemische Gasreaktion (CVR):
Bei der CVR-Methode wird die SiC-Beschichtung hauptsächlich durch die Verwendung von Si- und SiO₂-Pulver zur Erzeugung von SiO-Dampf bei hoher Temperatur hergestellt. Dabei finden auf der Oberfläche des C-Substrats verschiedene chemische Reaktionen statt. Die so erzeugte SiC-Beschichtung haftet fest am Substrat, jedoch sind die Reaktionstemperatur und die Kosten höher.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):
Derzeit ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) die wichtigste Technologie zur Herstellung von SiC-Beschichtungen auf Substratoberflächen. Der Prozess besteht im Wesentlichen aus einer Reihe physikalischer und chemischer Reaktionen gasförmiger Reaktionsmaterialien auf der Substratoberfläche. Abschließend wird die SiC-Beschichtung durch Abscheidung auf der Substratoberfläche erzeugt. Die mittels CVD-Technologie hergestellte SiC-Beschichtung ist fest mit der Substratoberfläche verbunden, wodurch die Oxidations- und Abtragsbeständigkeit des Substratmaterials effektiv verbessert werden kann. Allerdings ist die Abscheidungszeit bei diesem Verfahren länger, und die Reaktionsgase enthalten toxische Stoffe.
Die Marktsituation von SiC-beschichteten Graphitbasen
Da ausländische Hersteller frühzeitig in den Markt einstiegen, verfügten sie über einen deutlichen Vorsprung und einen hohen Marktanteil. International zählen die niederländischen Unternehmen Xycard, die deutschen Unternehmen SGL Carbon (SGL), die japanischen Unternehmen Toyo Carbon, die US-amerikanischen Unternehmen MEMC und weitere zu den führenden Anbietern von SiC-beschichteten Graphitbasen und beherrschen im Wesentlichen den internationalen Markt. Obwohl China die Schlüsseltechnologie für das gleichmäßige Wachstum der SiC-Beschichtung auf der Oberfläche der Graphitmatrix erfolgreich entwickelt hat, ist die Qualität der Graphitmatrix weiterhin von Unternehmen wie SGL (Deutschland), Toyo Carbon (Japan) und anderen abhängig. Die von inländischen Unternehmen gelieferte Graphitmatrix beeinträchtigt die Lebensdauer aufgrund von Problemen mit der Wärmeleitfähigkeit, dem Elastizitätsmodul, dem Steifigkeitsmodul, Gitterdefekten und anderen Qualitätsmängeln. MOCVD-Anlagen erfüllen die Anforderungen für die Verwendung von SiC-beschichteten Graphitbasen nicht.
Chinas Halbleiterindustrie entwickelt sich rasant. Mit der zunehmenden Verbreitung von MOCVD-Epitaxieanlagen und der Ausweitung anderer Prozessanwendungen wird ein starkes Wachstum des Marktes für SiC-beschichtete Graphitbasisprodukte erwartet. Vorläufigen Branchenschätzungen zufolge wird der Inlandsmarkt für Graphitbasisprodukte in den nächsten Jahren 500 Millionen Yuan übersteigen.
SiC-beschichtete Graphitbasen sind die Kernkomponente von Anlagen zur industriellen Halbleiterfertigung. Die Beherrschung der Schlüsseltechnologien für ihre Herstellung und Fertigung sowie die Lokalisierung der gesamten Wertschöpfungskette von Rohstoffen über Verarbeitungsprozesse bis hin zu Anlagen sind von großer strategischer Bedeutung für die Entwicklung der chinesischen Halbleiterindustrie. Der Markt für inländische SiC-beschichtete Graphitbasen boomt, und die Produktqualität kann schon bald internationales Spitzenniveau erreichen.
Veröffentlichungsdatum: 24. Juli 2023