Co to jest susceptor grafitowy pokryty SiC?

Rysunek 1. Susceptor grafitowy pokryty SiC

1. Warstwa epitaksjalna i jej wyposażenie

Podczas procesu produkcji płytek musimy dodatkowo zbudować warstwę epitaksjalną na niektórych podłożach płytek, aby ułatwić wytwarzanie urządzeń. Epitaksja odnosi się do procesu hodowli nowego monokryształu na podłożu monokrystalicznym, które zostało starannie przetworzone poprzez cięcie, szlifowanie i polerowanie. Nowy monokryształ może być tym samym materiałem co podłoże lub innym materiałem (homoepitaksjalnym lub heteroepitaksjalnym). Ponieważ nowa warstwa monokryształu narasta wzdłuż fazy krystalicznej podłoża, nazywa się ją warstwą epitaksjalną i na warstwie epitaksjalnej odbywa się produkcja urządzeń. 

Na przykład:Epitaksjalny GaAswarstwa przygotowywana jest na podłożu krzemowym dla urządzeń emitujących światło LED; AEpitaksjalny SiCwarstwa wyhodowana na przewodzącym podłożu SiC do budowy SBD, MOSFET i innych urządzeń w zastosowaniach energetycznych; warstwa epitaksjalna GaN jest zbudowana na półizolacyjnym podłożu SiC w celu dalszej produkcji urządzeń, takich jak HEMT, w zastosowaniach częstotliwości radiowych, takich jak komunikacja. Parametry takie jak grubość materiałów epitaksjalnych SiC i stężenie nośnika tła bezpośrednio determinują różne właściwości elektryczne urządzeń SiC. W tym procesie nie możemy obejść się bez sprzętu do chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).

Rysunek 2. Tryby wzrostu warstwy epitaksjalnej

2. Znaczenie grafitowego susceptora pokrytego SiC w sprzęcie CVD

W urządzeniach CVD nie możemy umieścić podłoża bezpośrednio na metalu lub po prostu na podłożu do osadzania epitaksjalnego, ponieważ wpływa na to wiele czynników, takich jak kierunek przepływu gazu (poziomy, pionowy), temperatura, ciśnienie, utrwalenie i zanieczyszczenia. Dlatego musimy użyć susceptora (nośnik opłatków) w celu umieszczenia podłoża na tacy i wykorzystania technologii CVD do wykonania na nim osadzania epitaksjalnego. Susceptor ten to grafitowy susceptor pokryty SiC (zwany także tacą).

2.1 Zastosowanie susceptora grafitowego pokrytego SiC w sprzęcie MOCVD

Grafitowy susceptor pokryty SiC odgrywa kluczową rolęsprzęt do chemicznego osadzania metali organicznych z fazy gazowej (MOCVD).do podtrzymywania i ogrzewania substratów monokrystalicznych. Stabilność termiczna i jednorodność termiczna tego susceptora mają kluczowe znaczenie dla jakości materiałów epitaksjalnych, dlatego jest on uważany za niezbędny element rdzenia sprzętu MOCVD. Technologia metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD) jest obecnie szeroko stosowana w epitaksjalnym wzroście cienkich warstw GaN w niebieskich diodach LED, ponieważ ma zalety prostej obsługi, kontrolowanej szybkości wzrostu i wysokiej czystości.

Jako jeden z podstawowych elementów sprzętu MOCVD, półprzewodnikowy susceptor grafitowy Vetek odpowiada za podparcie i ogrzewanie substratów monokrystalicznych, co bezpośrednio wpływa na jednorodność i czystość materiałów cienkowarstwowych, a tym samym jest powiązane z jakością przygotowania płytek epitaksjalnych. Wraz ze wzrostem liczby zastosowań i zmianą środowiska pracy, wspornik grafitowy jest podatny na zużycie i dlatego jest klasyfikowany jako materiał eksploatacyjny.

2.2. Charakterystyka susceptora grafitowego z powłoką SIC

Aby sprostać wymaganiom sprzętu MOCVD, powłoka wymagana dla susceptora grafitowego musi mieć określone właściwości, aby spełniać następujące normy:

✔  Dobry zasięg: Powłoka SiC musi całkowicie pokrywać susceptor i mieć wysoki stopień gęstości, aby zapobiec uszkodzeniom w środowisku gazów korozyjnych.

✔  Wysoka siła wiązania: Powłoka powinna być trwale związana z podłożem i niełatwa do odpadnięcia po wielokrotnych cyklach w wysokiej i niskiej temperaturze.

✔  Dobra stabilność chemiczna: Powłoka musi mieć dobrą stabilność chemiczną, aby uniknąć uszkodzeń w wysokiej temperaturze i atmosferze korozyjnej.

2.3 Trudności i wyzwania w dopasowywaniu materiałów grafitowych i węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) dobrze sprawdza się w atmosferach epitaksjalnych GaN ze względu na swoje zalety, takie jak odporność na korozję, wysoka przewodność cieplna, odporność na szok termiczny i dobra stabilność chemiczna. Jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest podobny do grafitu, co czyni go preferowanym materiałem na grafitowe powłoki susceptorowe.

Jednak mimo wszystko,grafitIwęglik krzemuto dwa różne materiały i nadal będą zdarzać się sytuacje, w których powłoka ma krótką żywotność, łatwo odpada i zwiększa koszty ze względu na różne współczynniki rozszerzalności cieplnej. 

3. Technologia powłoki SiC

3.1. Typowe typy SiC

Obecnie powszechne typy SiC obejmują 3C, 4H i 6H, a różne typy SiC nadają się do różnych celów. Na przykład 4H-SiC nadaje się do wytwarzania urządzeń dużej mocy, 6H-SiC jest stosunkowo stabilny i może być stosowany w urządzeniach optoelektronicznych, a 3C-SiC może być stosowany do przygotowania warstw epitaksjalnych GaN i wytwarzania urządzeń RF SiC-GaN ze względu na swoją strukturą podobną do GaN. 3C-SiC jest również powszechnie określany jako β-SiC i jest stosowany głównie w cienkich warstwach i materiałach powłokowych. Dlatego β-SiC jest obecnie jednym z głównych materiałów na powłoki.

3.2.Powłoka z węglika krzemumetoda przygotowania

Istnieje wiele możliwości wytwarzania powłok z węglika krzemu, m.in. metoda żelowo-solowa, metoda natryskowa, metoda natryskiwania wiązką jonów, metoda chemicznej reakcji z parą (CVR) i metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Wśród nich metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) jest obecnie główną technologią wytwarzania powłok SiC. Metoda ta polega na osadzaniu powłok SiC na powierzchni podłoża poprzez reakcję w fazie gazowej, która ma tę zaletę, że zapewnia ścisłe wiązanie pomiędzy powłoką a podłożem, poprawiając odporność na utlenianie i ablację materiału podłoża.

Metoda spiekania wysokotemperaturowego, polegająca na umieszczeniu podłoża grafitowego w proszku zatapiającym i spiekaniu go w wysokiej temperaturze w obojętnej atmosferze, ostatecznie tworzy powłokę SiC na powierzchni podłoża, co nazywa się metodą zatapiania. Chociaż metoda ta jest prosta, a powłoka jest ściśle związana z podłożem, to jednak równomierność powłoki w kierunku grubości jest słaba, a ponadto pojawiają się dziury, co zmniejsza odporność na utlenianie.

✔  Metoda natryskowapolega na natryskiwaniu ciekłych surowców na powierzchnię grafitowego podłoża, a następnie zestalaniu surowców w określonej temperaturze w celu wytworzenia powłoki. Chociaż metoda ta jest tania, powłoka jest słabo związana z podłożem, a powłoka ma słabą jednorodność, cienką grubość i słabą odporność na utlenianie i zwykle wymaga dodatkowej obróbki.

✔  Technologia natryskiwania wiązką jonówwykorzystuje pistolet jonowy do natryskiwania stopionego lub częściowo stopionego materiału na powierzchnię grafitowego podłoża, który następnie krzepnie i wiąże się, tworząc powłokę. Chociaż operacja jest prosta i może wytworzyć stosunkowo gęstą powłokę z węglika krzemu, powłoka jest łatwa do złamania i ma słabą odporność na utlenianie. Zwykle stosuje się go do przygotowania wysokiej jakości powłok kompozytowych SiC.

✔ Metoda zol-żelmetoda ta polega na przygotowaniu jednolitego i przezroczystego roztworu zolu, nałożeniu go na powierzchnię podłoża, a następnie wysuszeniu i spiekaniu w celu uzyskania powłoki. Choć operacja jest prosta, a koszt niewielki, to tak przygotowana powłoka charakteryzuje się niską odpornością na szok termiczny i jest podatna na pękanie, przez co zakres jej stosowania jest ograniczony.

✔ Technologia reakcji chemicznej z parą (CVR): CVR wykorzystuje proszek Si i SiO2 do wytwarzania par SiO i tworzy powłokę SiC w wyniku reakcji chemicznej na powierzchni podłoża z materiału węglowego. Chociaż można wytworzyć ściśle związaną powłokę, wymagana jest wyższa temperatura reakcji, a koszt jest wysoki.

✔  Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD): CVD jest obecnie najpowszechniej stosowaną technologią wytwarzania powłok SiC, a powłoki SiC powstają w wyniku reakcji w fazie gazowej na powierzchni podłoża. Powłoka przygotowana tą metodą jest ściśle związana z podłożem, co poprawia odporność podłoża na utlenianie i ablację, wymaga jednak długiego czasu osadzania, a gaz reakcyjny może być toksyczny.

Rysunek 3.Schemat osadzania chemicznego z fazy gazowej

4. Konkurencja rynkowa iFirma półprzewodnikowa Vetekinnowacja technologiczna

Na rynku substratów z grafitu powlekanego SiC zagraniczni producenci rozpoczęli działalność wcześniej, mając oczywiste wiodące zalety i większy udział w rynku. Na arenie międzynarodowej Xycard w Holandii, SGL w Niemczech, Toyo Tanso w Japonii i MEMC w Stanach Zjednoczonych są głównymi dostawcami i zasadniczo monopolizują rynek międzynarodowy. Jednak obecnie Chiny przełamały podstawową technologię równomiernego narastania powłok SiC na powierzchni podłoży grafitowych, a jej jakość została zweryfikowana przez klientów krajowych i zagranicznych. Jednocześnie ma również pewne przewagi konkurencyjne cenowo, które mogą spełnić wymagania sprzętu MOCVD w zakresie stosowania podłoży grafitowych pokrytych SiC. 

Firma Vetek Semiconductor zajmuje się badaniami i rozwojem w dziedziniePowłoki SiCod ponad 20 lat. Dlatego wprowadziliśmy tę samą technologię warstwy buforowej, co SGL. Dzięki specjalnej technologii przetwarzania można dodać warstwę buforową pomiędzy grafitem i węglikiem krzemu, aby zwiększyć żywotność ponad dwukrotnie.