Les supports en graphite revêtus de SiC sont couramment utilisés pour supporter et chauffer les substrats monocristallins dans les équipements de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD). La stabilité thermique, l'uniformité thermique et les autres paramètres de performance de ces supports sont déterminants pour la qualité de la croissance épitaxiale ; ils constituent donc un composant essentiel des équipements MOCVD.
Lors de la fabrication de plaquettes de silicium, des couches épitaxiales sont déposées sur certains substrats afin de faciliter la production de dispositifs. Les diodes électroluminescentes (DEL) classiques nécessitent la préparation de couches épitaxiales de GaAs sur des substrats de silicium. La couche épitaxiale de SiC est déposée sur un substrat conducteur de SiC pour la fabrication de dispositifs tels que les diodes Schottky (SBD) et les transistors MOSFET, destinés aux applications haute tension, courant élevé et autres applications de puissance. La couche épitaxiale de GaN est déposée sur un substrat semi-isolant de SiC pour la fabrication de transistors HEMT et autres dispositifs destinés aux applications radiofréquences (RF), notamment les communications. Ce procédé est indissociable de l'utilisation d'équipements de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Dans un équipement CVD, le substrat ne peut être déposé directement sur le métal ni simplement sur un support pour le dépôt épitaxial, car ce procédé dépend de facteurs tels que la circulation des gaz (horizontale et verticale), la température, la pression, la fixation et l'élimination des polluants. Un support est donc nécessaire : le substrat est placé sur le disque, puis le dépôt épitaxial est réalisé par la technologie CVD. Ce support est un plateau en graphite recouvert de SiC.
Les supports en graphite revêtus de SiC sont couramment utilisés pour supporter et chauffer les substrats monocristallins dans les équipements de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD). La stabilité thermique, l'uniformité thermique et les autres paramètres de performance de ces supports sont déterminants pour la qualité de la croissance épitaxiale ; ils constituent donc un composant essentiel des équipements MOCVD.
Le dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) est la technologie de référence pour la croissance épitaxiale de films de GaN dans les LED bleues. Elle présente l'avantage d'une mise en œuvre simple, d'une vitesse de croissance contrôlable et d'une grande pureté des films de GaN obtenus. Composant essentiel de la chambre de réaction de l'équipement MOCVD, le support utilisé pour la croissance épitaxiale du film de GaN doit notamment présenter une résistance aux hautes températures, une conductivité thermique uniforme, une bonne stabilité chimique et une forte résistance aux chocs thermiques. Le graphite répond à ces exigences.
Composant essentiel de l'équipement MOCVD, la base en graphite sert de support et d'élément chauffant au substrat, déterminant ainsi l'uniformité et la pureté du matériau du film. Sa qualité influe donc directement sur la préparation de la feuille épitaxiale. De plus, avec l'augmentation du nombre d'utilisations et la modification des conditions de travail, elle s'use très facilement et fait partie des consommables.
Bien que le graphite possède une excellente conductivité thermique et une grande stabilité, ce qui en fait un composant de base idéal pour les équipements MOCVD, lors du processus de production, la corrosion de la poudre de graphite due aux résidus de gaz corrosifs et de composés organiques métalliques réduit considérablement la durée de vie du support en graphite. De plus, la chute de poudre de graphite contamine la puce.
L'émergence de la technologie de revêtement permet de fixer la poudre en surface, d'améliorer la conductivité thermique et d'homogénéiser la répartition de la chaleur, ce qui en fait la principale solution à ce problème. Dans l'environnement d'utilisation des équipements MOCVD, le revêtement de surface à base de graphite doit présenter les caractéristiques suivantes :
(1) La base en graphite peut être entièrement enveloppée et la densité est bonne, sinon la base en graphite est facile à corroder dans le gaz corrosif.
(2) La résistance de la combinaison avec la base en graphite est élevée pour garantir que le revêtement ne se détache pas facilement après plusieurs cycles de haute et basse température.
(3) Il possède une bonne stabilité chimique pour éviter la défaillance du revêtement à haute température et en atmosphère corrosive.
Le carbure de silicium (SiC) présente l'avantage d'une excellente résistance à la corrosion, d'une conductivité thermique élevée, d'une grande résistance aux chocs thermiques et d'une stabilité chimique remarquable. Il est parfaitement adapté à l'environnement d'épitaxie du nitrure de gallium (GaN). De plus, son coefficient de dilatation thermique étant très proche de celui du graphite, le SiC est un matériau de choix pour le revêtement de surface des substrats en graphite.
Actuellement, le SiC le plus courant est principalement de type 3C, 4H et 6H, et ses applications varient selon le type cristallin. Par exemple, le 4H-SiC permet la fabrication de dispositifs de puissance ; le 6H-SiC, le plus stable, est utilisé pour la fabrication de dispositifs photoélectriques ; grâce à sa structure similaire à celle du GaN, le 3C-SiC peut servir à la production de couches épitaxiales de GaN et à la fabrication de dispositifs RF SiC-GaN. Le 3C-SiC est également connu sous le nom de β-SiC, et son principal usage comme matériau de revêtement et de film en fait aujourd'hui le matériau de prédilection pour les revêtements.
Procédé de préparation d'un revêtement en carbure de silicium
Actuellement, les méthodes de préparation du revêtement SiC comprennent principalement la méthode gel-sol, la méthode d'enrobage, la méthode de revêtement au pinceau, la méthode de projection plasma, la méthode de réaction chimique en gaz (CVR) et la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Méthode d'intégration :
Cette méthode est un frittage en phase solide à haute température. Elle utilise principalement un mélange de poudres de silicium et de carbone comme poudre d'enrobage. La matrice de graphite est placée dans cette poudre, puis frittée sous atmosphère inerte. On obtient ainsi un revêtement de SiC à la surface de la matrice de graphite. Le procédé est simple et l'adhérence entre le revêtement et le substrat est bonne. Cependant, l'uniformité du revêtement dans le sens de l'épaisseur est faible, ce qui favorise la formation de porosités et entraîne une faible résistance à l'oxydation.
Méthode d'application au pinceau :
La méthode d'enduction au pinceau consiste principalement à appliquer la matière première liquide au pinceau sur la surface de la matrice de graphite, puis à la polymériser à une température donnée pour former le revêtement. Ce procédé est simple et peu coûteux, mais le revêtement obtenu présente une faible adhérence au substrat, une uniformité médiocre, une faible épaisseur et une faible résistance à l'oxydation ; d'autres méthodes sont donc nécessaires.
Méthode de projection plasma :
La projection plasma consiste principalement à pulvériser des matières premières fondues ou semi-fondues sur la surface d'une matrice de graphite à l'aide d'un pistolet plasma, puis à les solidifier et à les lier pour former un revêtement. Cette méthode est simple à mettre en œuvre et permet d'obtenir un revêtement de carbure de silicium relativement dense. Cependant, ce revêtement est souvent trop fragile et présente une faible résistance à l'oxydation. C'est pourquoi elle est généralement utilisée pour la préparation de revêtements composites SiC afin d'améliorer la qualité du revêtement.
Méthode gel-sol :
La méthode gel-sol consiste principalement à préparer une solution sol uniforme et transparente recouvrant la surface de la matrice, à la sécher pour former un gel, puis à la fritter afin d'obtenir un revêtement. Cette méthode est simple à mettre en œuvre et peu coûteuse, mais le revêtement obtenu présente certains inconvénients, tels qu'une faible résistance aux chocs thermiques et une tendance à la fissuration, ce qui limite son utilisation.
Réaction chimique en gaz (RCG) :
Le procédé CVR génère principalement un revêtement SiC en utilisant de la poudre de Si et de SiO₂ pour produire de la vapeur de SiO à haute température. Une série de réactions chimiques se produisent alors à la surface du substrat en matériau carboné. Le revêtement SiC ainsi préparé présente une forte adhérence au substrat, mais la température de réaction et le coût sont plus élevés.
Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :
Actuellement, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est la principale technologie de préparation de revêtements de SiC sur des substrats. Le procédé consiste en une série de réactions physico-chimiques entre des réactifs en phase gazeuse à la surface du substrat, aboutissant au dépôt d'un revêtement de SiC. Ce revêtement, obtenu par CVD, adhère fortement au substrat, améliorant ainsi sa résistance à l'oxydation et à l'abrasion. Cependant, le temps de dépôt est long et les gaz de réaction contiennent des substances toxiques.
Situation du marché des bases en graphite revêtues de SiC
Lorsque les fabricants étrangers ont démarré tôt, ils ont acquis une avance considérable et une part de marché importante. À l'échelle internationale, les principaux fournisseurs de supports en graphite revêtus de SiC sont les Néerlandais Xycard, l'Allemand SGL Carbon (SGL), le Japonais Toyo Carbon, l'Américain MEMC et d'autres entreprises, qui dominent le marché mondial. Bien que la Chine ait maîtrisé la technologie clé de croissance uniforme du revêtement de SiC sur la matrice de graphite, la production de matrices de graphite de haute qualité reste tributaire de SGL, Toyo Carbon et d'autres entreprises. Les matrices de graphite fournies par les entreprises chinoises présentent des problèmes de conductivité thermique, de module d'élasticité, de module de rigidité, de défauts de structure et autres problèmes de qualité qui affectent leur durée de vie. Les équipements MOCVD ne répondent pas aux exigences d'utilisation des supports en graphite revêtus de SiC.
L'industrie chinoise des semi-conducteurs se développe rapidement. Avec l'augmentation progressive du taux de localisation des équipements épitaxiaux MOCVD et l'expansion d'autres applications de procédés, le marché des produits à base de graphite revêtus de SiC devrait connaître une forte croissance. Selon les premières estimations du secteur, ce marché devrait dépasser les 500 millions de yuans dans les prochaines années.
Le socle en graphite revêtu de SiC est un composant essentiel des équipements d'industrialisation des semi-conducteurs composés. La maîtrise des technologies clés de sa production et de sa fabrication, ainsi que la localisation de l'ensemble de la chaîne de valeur (matières premières, procédés et équipements), revêtent une importance stratégique majeure pour le développement de l'industrie chinoise des semi-conducteurs. Le secteur des socles en graphite revêtus de SiC connaît une forte croissance en Chine, et la qualité des produits devrait bientôt atteindre un niveau international de pointe.
Date de publication : 24 juillet 2023