Podstawy grafitowe pokryte SiC są powszechnie stosowane do podtrzymywania i podgrzewania podłoży monokrystalicznych w urządzeniach metaloorganicznych do chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD). Stabilność termiczna, jednorodność termiczna i inne parametry użytkowe podstawy grafitowej pokrytej SiC odgrywają decydującą rolę w jakości wzrostu materiału epitaksjalnego, dlatego jest to kluczowy element sprzętu MOCVD.
W procesie produkcji płytek na niektórych podłożach płytek powstają warstwy epitaksjalne, aby ułatwić wytwarzanie urządzeń. Typowe urządzenia emitujące światło LED wymagają przygotowania epitaksjalnych warstw GaA na podłożach krzemowych; Warstwa epitaksjalna SiC jest hodowana na przewodzącym podłożu SiC do budowy urządzeń takich jak SBD, MOSFET itp., do zastosowań wysokonapięciowych, wysokoprądowych i innych zastosowań energetycznych; Warstwa epitaksjalna GaN jest zbudowana na półizolowanym podłożu SiC w celu dalszej konstrukcji HEMT i innych urządzeń do zastosowań RF, takich jak komunikacja. Proces ten jest nierozerwalnie związany ze sprzętem CVD.
W urządzeniach CVD podłoża nie można umieścić bezpośrednio na metalu ani po prostu umieścić na podłożu w celu osadzania epitaksjalnego, ponieważ wiąże się to z przepływem gazu (poziomo, pionowo), temperaturą, ciśnieniem, utrwalaniem, uwalnianiem zanieczyszczeń i innymi aspektami czynniki wpływu. Dlatego potrzebne jest podłoże, następnie na krążek umieszcza się podłoże, po czym przeprowadza się na podłożu epitaksjalne osadzanie przy użyciu technologii CVD, a podłożem tym jest podłoże grafitowe pokryte SiC (tzw. taca).
Podstawy grafitowe pokryte SiC są powszechnie stosowane do podtrzymywania i podgrzewania podłoży monokrystalicznych w urządzeniach metaloorganicznych do chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD). Stabilność termiczna, jednorodność termiczna i inne parametry użytkowe podstawy grafitowej pokrytej SiC odgrywają decydującą rolę w jakości wzrostu materiału epitaksjalnego, dlatego jest to kluczowy element sprzętu MOCVD.
Metaloorganiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MOCVD) to główna technologia epitaksjalnego wzrostu warstw GaN w niebieskich diodach LED. Ma zalety prostej obsługi, kontrolowanej szybkości wzrostu i wysokiej czystości folii GaN. Jako ważny element komory reakcyjnej sprzętu MOCVD, podstawa łożyska stosowana do epitaksjalnego wzrostu folii GaN musi mieć zalety odporności na wysoką temperaturę, jednolitej przewodności cieplnej, dobrej stabilności chemicznej, dużej odporności na szok termiczny itp. Materiał grafitowy może spełniać powyższe warunki.
Jako jeden z podstawowych elementów wyposażenia MOCVD, baza grafitowa jest nośnikiem i elementem grzewczym podłoża, co bezpośrednio decyduje o jednorodności i czystości materiału filmowego, zatem jego jakość bezpośrednio wpływa na przygotowanie arkusza epitaksjalnego, a tym samym czasie, wraz ze wzrostem liczby zastosowań i zmianą warunków pracy, jest bardzo łatwy w noszeniu, zaliczany do materiałów eksploatacyjnych.
Chociaż grafit ma doskonałą przewodność cieplną i stabilność, ma dobrą zaletę jako podstawowy składnik sprzętu MOCVD, ale w procesie produkcyjnym grafit powoduje korozję proszku z powodu pozostałości gazów korozyjnych i metalicznych substancji organicznych oraz żywotności baza grafitowa zostanie znacznie zmniejszona. Jednocześnie opadający proszek grafitowy spowoduje zanieczyszczenie chipa.
Pojawienie się technologii powlekania może zapewnić utrwalenie powierzchni proszku, poprawić przewodność cieplną i wyrównać rozkład ciepła, co stało się główną technologią rozwiązującą ten problem. Baza grafitowa w środowisku użytkowania sprzętu MOCVD, powłoka powierzchniowa podłoża grafitowego powinna spełniać następujące cechy:
(1) Podstawa grafitowa może być całkowicie owinięta, a gęstość jest dobra, w przeciwnym razie podstawa grafitowa może łatwo ulec korozji w żrącym gazie.
(2) Wytrzymałość połączenia z bazą grafitową jest wysoka, aby zapewnić, że powłoka nie będzie łatwo odpadać po kilku cyklach w wysokiej i niskiej temperaturze.
(3) Ma dobrą stabilność chemiczną, aby uniknąć uszkodzeń powłoki w wysokiej temperaturze i atmosferze korozyjnej.
SiC ma zalety odporności na korozję, wysoką przewodność cieplną, odporność na szok termiczny i wysoką stabilność chemiczną i może dobrze pracować w atmosferze epitaksjalnej GaN. Ponadto współczynnik rozszerzalności cieplnej SiC różni się bardzo niewiele od współczynnika grafitu, dlatego SiC jest preferowanym materiałem do powlekania powierzchni grafitowego podłoża.
Obecnie powszechnym SiC jest głównie typ 3C, 4H i 6H, a zastosowania SiC różnych typów kryształów są różne. Na przykład 4H-SiC może wytwarzać urządzenia o dużej mocy; 6H-SiC jest najbardziej stabilny i pozwala na produkcję urządzeń fotoelektrycznych; Ze względu na podobną strukturę do GaN, 3C-SiC można stosować do wytwarzania warstwy epitaksjalnej GaN i wytwarzania urządzeń RF SiC-GaN. 3C-SiC jest również powszechnie znany jako β-SiC, a ważnym zastosowaniem β-SiC jest materiał filmowy i powłokowy, dlatego β-SiC jest obecnie głównym materiałem do powlekania.
Sposób wytwarzania powłoki z węglika krzemu
Obecnie metody przygotowania powłok SiC obejmują głównie metodę żelowo-zolową, metodę zatapiania, metodę powlekania pędzlem, metodę natryskiwania plazmowego, metodę chemicznej reakcji gazowej (CVR) i metodę chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).
Metoda osadzania:
Metoda ta jest rodzajem spiekania w fazie stałej w wysokiej temperaturze, w którym jako proszek do zatapiania wykorzystuje się głównie mieszaninę proszku Si i proszku C, matrycę grafitową umieszcza się w proszku zatapiającym, a spiekanie w wysokiej temperaturze przeprowadza się w gazie obojętnym i finalnie otrzymuje się powłokę SiC na powierzchni osnowy grafitowej. Proces jest prosty, a połączenie powłoki z podłożem jest dobre, ale jednorodność powłoki wzdłuż kierunku grubości jest słaba, co łatwo powoduje powstanie większej liczby dziur i prowadzi do słabej odporności na utlenianie.
Metoda powlekania pędzlem:
Metoda powlekania pędzlem polega głównie na szczotkowaniu ciekłego surowca na powierzchni matrycy grafitowej, a następnie utwardzaniu surowca w określonej temperaturze w celu przygotowania powłoki. Proces jest prosty, a koszt niski, ale powłoka przygotowana metodą powlekania pędzlem jest słaba w połączeniu z podłożem, jednorodność powłoki jest słaba, powłoka jest cienka, a odporność na utlenianie jest niska i potrzebne są inne metody, aby wspomóc To.
Metoda natryskiwania plazmowego:
Metoda natryskiwania plazmowego polega głównie na natryskiwaniu stopionych lub półstopionych surowców na powierzchnię osnowy grafitowej za pomocą pistoletu plazmowego, a następnie zestaleniu i wiązaniu w celu utworzenia powłoki. Metoda jest prosta w obsłudze i umożliwia wytworzenie stosunkowo gęstej powłoki z węglika krzemu, ale powłoka z węglika krzemu wytworzona tą metodą jest często zbyt słaba i prowadzi do słabej odporności na utlenianie, dlatego powszechnie stosuje się ją do wytwarzania powłoki kompozytowej SiC w celu poprawy jakość powłoki.
Metoda żelowo-solowa:
Metoda żelowo-solowa polega głównie na przygotowaniu jednolitego i przezroczystego roztworu zolu pokrywającego powierzchnię matrycy, wysuszeniu do postaci żelu, a następnie spiekaniu w celu uzyskania powłoki. Metoda ta jest prosta w obsłudze i tania, jednak wytworzona powłoka ma pewne wady, takie jak niska odporność na szok termiczny i łatwe pękanie, dlatego nie może być szeroko stosowana.
Reakcja chemiczna z gazem (CVR):
CVR generuje głównie powłoki SiC przy użyciu proszku Si i SiO2 do wytwarzania pary SiO w wysokiej temperaturze, a na powierzchni podłoża z materiału C zachodzi szereg reakcji chemicznych. Powłoka SiC wytworzona tą metodą jest ściśle związana z podłożem, jednak temperatura reakcji jest wyższa i koszt jest wyższy.
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD):
Obecnie CVD jest główną technologią wytwarzania powłok SiC na powierzchni podłoża. Główny proces to szereg reakcji fizycznych i chemicznych materiału reagenta w fazie gazowej na powierzchni podłoża, w wyniku których na powierzchni podłoża wytwarzana jest powłoka SiC. Powłoka SiC przygotowana technologią CVD jest ściśle związana z powierzchnią podłoża, co może skutecznie poprawić odporność na utlenianie i ablację materiału podłoża, ale czas osadzania tą metodą jest dłuższy, a gaz reakcyjny ma pewną toksyczność gaz.
Sytuacja rynkowa bazy grafitowej pokrytej SiC
Kiedy zagraniczni producenci wcześnie rozpoczynali działalność, mieli wyraźną przewagę i duży udział w rynku. Na arenie międzynarodowej głównymi dostawcami bazy grafitowej pokrytej SiC są holenderska Xycard, niemiecka SGL Carbon (SGL), Japan Toyo Carbon, amerykański MEMC i inne firmy, które zasadniczo zajmują rynek międzynarodowy. Chociaż Chiny przełamały kluczową technologię rdzenia równomiernego wzrostu powłoki SiC na powierzchni matrycy grafitowej, wysokiej jakości matryca grafitowa nadal opiera się na niemieckiej SGL, Japan Toyo Carbon i innych przedsiębiorstwach, matryca grafitowa dostarczana przez przedsiębiorstwa krajowe wpływa na usługę żywotność ze względu na przewodność cieplną, moduł sprężystości, moduł sztywności, defekty sieci i inne problemy z jakością. Sprzęt MOCVD nie może spełnić wymagań dotyczących stosowania podstawy grafitowej pokrytej SiC.
Chiński przemysł półprzewodników rozwija się szybko, wraz ze stopniowym wzrostem szybkości lokalizacji sprzętu epitaksjalnego MOCVD i rozwojem innych zastosowań procesowych, oczekuje się, że przyszły rynek produktów bazowych z grafitu powlekanego SiC będzie szybko rósł. Według wstępnych szacunków branżowych, w ciągu najbliższych kilku lat krajowy rynek baz grafitowych przekroczy 500 milionów juanów.
Baza grafitowa pokryta SiC jest głównym elementem sprzętu do industrializacji złożonych półprzewodników, opanowaniem kluczowej technologii podstawowej jej produkcji i wytwarzania oraz uświadomieniem sobie, że lokalizacja całego łańcucha branżowego surowce-procesy-sprzęt ma ogromne znaczenie strategiczne dla zapewnienia rozwoju Przemysł półprzewodników w Chinach. Pole krajowej bazy grafitowej pokrytej SiC kwitnie, a jakość produktu może wkrótce osiągnąć międzynarodowy poziom zaawansowany.
Czas publikacji: 24 lipca 2023 r