Peças semicondutoras – base de grafite revestida com SiC

As bases de grafite revestidas com SiC são comumente usadas para suportar e aquecer substratos de cristal único em equipamentos de deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD). A estabilidade térmica, a uniformidade térmica e outros parâmetros de desempenho da base de grafite revestida com SiC desempenham um papel decisivo na qualidade do crescimento do material epitaxial, por isso é o principal componente do equipamento MOCVD.

No processo de fabricação de wafer, camadas epitaxiais são ainda construídas em alguns substratos de wafer para facilitar a fabricação de dispositivos. Dispositivos emissores de luz LED típicos precisam preparar camadas epitaxiais de GaAs em substratos de silício; A camada epitaxial de SiC é cultivada no substrato condutor de SiC para a construção de dispositivos como SBD, MOSFET, etc., para aplicações de alta tensão, alta corrente e outras aplicações de energia; A camada epitaxial de GaN é construída em substrato de SiC semi-isolado para construir ainda mais HEMT e outros dispositivos para aplicações de RF, como comunicação. Este processo é inseparável do equipamento CVD.

Nos equipamentos CVD, o substrato não pode ser colocado diretamente sobre o metal ou simplesmente colocado sobre uma base para deposição epitaxial, pois envolve fluxo de gás (horizontal, vertical), temperatura, pressão, fixação, desprendimento de poluentes e outros aspectos de os fatores de influência. Portanto, é necessária uma base e, em seguida, o substrato é colocado no disco e, em seguida, a deposição epitaxial é realizada no substrato usando a tecnologia CVD, e essa base é a base de grafite revestida com SiC (também conhecida como bandeja).

As bases de grafite revestidas com SiC são comumente usadas para suportar e aquecer substratos de cristal único em equipamentos de deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD). A estabilidade térmica, a uniformidade térmica e outros parâmetros de desempenho da base de grafite revestida com SiC desempenham um papel decisivo na qualidade do crescimento do material epitaxial, por isso é o principal componente do equipamento MOCVD.

A deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD) é a tecnologia convencional para o crescimento epitaxial de filmes de GaN em LED azul. Tem as vantagens de operação simples, taxa de crescimento controlável e alta pureza de filmes GaN. Como um componente importante na câmara de reação do equipamento MOCVD, a base de rolamento usada para o crescimento epitaxial do filme GaN precisa ter as vantagens de resistência a altas temperaturas, condutividade térmica uniforme, boa estabilidade química, forte resistência ao choque térmico, etc. as condições acima.

Como um dos principais componentes do equipamento MOCVD, a base de grafite é o transportador e corpo de aquecimento do substrato, que determina diretamente a uniformidade e pureza do material do filme, portanto sua qualidade afeta diretamente a preparação da folha epitaxial, e ao mesmo ao longo do tempo, com o aumento do número de utilizações e a mudança das condições de trabalho, é muito fácil de usar, pertencente aos consumíveis.

Embora a grafite tenha excelente condutividade térmica e estabilidade, tem uma boa vantagem como componente base do equipamento MOCVD, mas no processo de produção, a grafite irá corroer o pó devido ao resíduo de gases corrosivos e orgânicos metálicos, e a vida útil do a base de grafite será bastante reduzida. Ao mesmo tempo, a queda do pó de grafite causará poluição no chip.

O surgimento da tecnologia de revestimento pode fornecer fixação superficial do pó, aumentar a condutividade térmica e equalizar a distribuição de calor, que se tornou a principal tecnologia para resolver esse problema. Base de grafite no ambiente de uso de equipamentos MOCVD, o revestimento de superfície de base de grafite deve atender às seguintes características:

(1) A base de grafite pode ser totalmente embrulhada e a densidade é boa, caso contrário, a base de grafite é fácil de ser corroída pelo gás corrosivo.

(2) A resistência combinada com a base de grafite é alta para garantir que o revestimento não caia facilmente após vários ciclos de alta e baixa temperatura.

(3) Possui boa estabilidade química para evitar falhas no revestimento em altas temperaturas e atmosfera corrosiva.

O SiC tem as vantagens de resistência à corrosão, alta condutividade térmica, resistência ao choque térmico e alta estabilidade química, e pode funcionar bem na atmosfera epitaxial de GaN. Além disso, o coeficiente de expansão térmica do SiC difere muito pouco daquele do grafite, portanto o SiC é o material preferido para o revestimento superficial da base de grafite.

Atualmente, o SiC comum é principalmente do tipo 3C, 4H e 6H, e os usos de SiC de diferentes tipos de cristal são diferentes. Por exemplo, o 4H-SiC pode fabricar dispositivos de alta potência; 6H-SiC é o mais estável e pode fabricar dispositivos fotoelétricos; Devido à sua estrutura semelhante ao GaN, o 3C-SiC pode ser usado para produzir a camada epitaxial de GaN e fabricar dispositivos de RF SiC-GaN. O 3C-SiC também é comumente conhecido como β-SiC, e um uso importante do β-SiC é como filme e material de revestimento, portanto o β-SiC é atualmente o principal material para revestimento.

Método para preparar revestimento de carboneto de silício

Atualmente, os métodos de preparação do revestimento de SiC incluem principalmente o método gel-sol, método de incorporação, método de revestimento com pincel, método de pulverização de plasma, método de reação química de gás (CVR) e método de deposição química de vapor (CVD).

Método de incorporação:

O método é um tipo de sinterização em fase sólida de alta temperatura, que usa principalmente a mistura de pó de Si e pó C como pó de incorporação, a matriz de grafite é colocada no pó de incorporação e a sinterização de alta temperatura é realizada no gás inerte , e finalmente o revestimento de SiC é obtido na superfície da matriz de grafite. O processo é simples e a combinação entre o revestimento e o substrato é boa, mas a uniformidade do revestimento ao longo da direção da espessura é fraca, o que facilita a produção de mais furos e leva a uma baixa resistência à oxidação.

Método de revestimento com escova:

O método de revestimento com pincel consiste principalmente em escovar a matéria-prima líquida na superfície da matriz de grafite e, em seguida, curar a matéria-prima a uma determinada temperatura para preparar o revestimento. O processo é simples e o custo é baixo, mas o revestimento preparado pelo método de revestimento com pincel é fraco em combinação com o substrato, a uniformidade do revestimento é fraca, o revestimento é fino e a resistência à oxidação é baixa, e outros métodos são necessários para auxiliar isto.

Método de pulverização de plasma:

O método de pulverização de plasma consiste principalmente em pulverizar matérias-primas derretidas ou semi-fundidas na superfície da matriz de grafite com uma pistola de plasma e, em seguida, solidificar e unir para formar um revestimento. O método é simples de operar e pode preparar um revestimento de carboneto de silício relativamente denso, mas o revestimento de carboneto de silício preparado pelo método é muitas vezes muito fraco e leva a uma fraca resistência à oxidação, por isso é geralmente usado para a preparação de revestimento composto de SiC para melhorar a qualidade do revestimento.

Método gel-sol:

O método gel-sol consiste principalmente em preparar uma solução de sol uniforme e transparente cobrindo a superfície da matriz, secando em um gel e depois sinterizando para obter um revestimento. Este método é simples de operar e de baixo custo, mas o revestimento produzido apresenta algumas deficiências, como baixa resistência ao choque térmico e fácil fissuração, por isso não pode ser amplamente utilizado.

Reação Química de Gás (CVR):

O CVR gera principalmente revestimento de SiC usando pó de Si e SiO2 para gerar vapor de SiO em alta temperatura, e uma série de reações químicas ocorrem na superfície do substrato do material C. O revestimento de SiC preparado por este método está intimamente ligado ao substrato, mas a temperatura de reação é mais elevada e o custo é mais elevado.

Deposição Química de Vapor (CVD):

Atualmente, o CVD é a principal tecnologia para a preparação do revestimento de SiC na superfície do substrato. O processo principal é uma série de reações físicas e químicas do material reagente em fase gasosa na superfície do substrato e, finalmente, o revestimento de SiC é preparado por deposição na superfície do substrato. O revestimento de SiC preparado pela tecnologia CVD está intimamente ligado à superfície do substrato, o que pode efetivamente melhorar a resistência à oxidação e a resistência ablativa do material do substrato, mas o tempo de deposição deste método é mais longo e o gás de reação tem um certo efeito tóxico gás.

A situação do mercado da base de grafite revestida de SiC

Quando os fabricantes estrangeiros começaram cedo, tinham uma clara liderança e uma elevada quota de mercado. Internacionalmente, os principais fornecedores de base de grafite revestida de SiC são a Dutch Xycard, a Alemanha SGL Carbon (SGL), a Japan Toyo Carbon, os Estados Unidos MEMC e outras empresas, que ocupam basicamente o mercado internacional. Embora a China tenha rompido a principal tecnologia de crescimento uniforme do revestimento de SiC na superfície da matriz de grafite, a matriz de grafite de alta qualidade ainda depende da SGL alemã, da Japan Toyo Carbon e de outras empresas, a matriz de grafite fornecida por empresas nacionais afeta o serviço vida devido à condutividade térmica, módulo elástico, módulo rígido, defeitos de rede e outros problemas de qualidade. O equipamento MOCVD não atende aos requisitos de uso de base de grafite revestida com SiC.

A indústria de semicondutores da China está se desenvolvendo rapidamente, com o aumento gradual da taxa de localização de equipamentos epitaxiais MOCVD e a expansão de outras aplicações de processo, espera-se que o futuro mercado de produtos à base de grafite revestido de SiC cresça rapidamente. De acordo com estimativas preliminares da indústria, o mercado doméstico de base de grafite ultrapassará 500 milhões de yuans nos próximos anos.

A base de grafite revestida de SiC é o componente principal do equipamento de industrialização de semicondutores compostos, dominando a tecnologia principal de sua produção e fabricação, e percebendo a localização de toda a cadeia da indústria de equipamentos de processo de matéria-prima é de grande importância estratégica para garantir o desenvolvimento de Indústria de semicondutores da China. O campo da base de grafite revestida com SiC doméstica está crescendo e a qualidade do produto pode atingir o nível avançado internacional em breve.