Mikä on SiC-päällystetty grafiittisuskeptori?

Kuva 1.SiC-päällystetty grafiittisuskeptori

1. Epitaksiaalinen kerros ja sen varusteet

Kiekkojen valmistusprosessin aikana meidän on edelleen rakennettava epitaksiaalinen kerros joillekin kiekkosubstraateille helpottaaksemme laitteiden valmistusta. Epitaksia tarkoittaa prosessia, jossa kasvatetaan uusi yksikiteinen yksikidealustalle, joka on huolellisesti käsitelty leikkaamalla, hiomalla ja kiillottamalla. Uusi yksikidekide voi olla samaa materiaalia kuin substraatti tai eri materiaalia (homoepitaksiaalinen tai heteroepitaksiaalinen). Koska uusi yksikidekerros kasvaa substraatin kidefaasia pitkin, sitä kutsutaan epitaksiaaliseksi kerrokseksi ja laitteen valmistus tapahtuu epitaksiaalisella kerroksella. 

Esimerkiksi aGaAs epitaksiaalinenkerros valmistetaan silikonisubstraatille LED-valoa lähettäviä laitteita varten; aSiC epitaksiaalinenkerros kasvatetaan johtavalla SiC-substraatilla SBD:n, MOSFETin ja muiden tehosovelluksissa käytettävien laitteiden rakentamista varten; GaN-epitaksiaalinen kerros rakennetaan puolieristävälle SiC-substraatille laitteiden, kuten HEMT:n, valmistamiseksi edelleen radiotaajuussovelluksissa, kuten viestinnässä. Parametrit, kuten piikarbidin epitaksimateriaalien paksuus ja taustakantajapitoisuus määräävät suoraan piikarbidilaitteiden erilaiset sähköiset ominaisuudet. Tässä prosessissa emme voi tulla toimeen ilman kemiallisia höyrypinnoituslaitteita (CVD).

Kuva 2. Epitaksiaalikalvon kasvutilat

2. Piikarbidilla päällystetyn grafiittisuskeptorin merkitys CVD-laitteissa

CVD-laitteissa emme voi asettaa alustaa suoraan metallin päälle tai yksinkertaisesti alustalle epitaksiaalista kerrostusta varten, koska siihen liittyy monia tekijöitä, kuten kaasun virtaussuunta (vaaka, pystysuora), lämpötila, paine, kiinnitys ja epäpuhtaudet. Siksi meidän on käytettävä suskeptoria (kiekkoteline) sijoittaaksesi alustan alustalle ja käyttämällä CVD-tekniikkaa epitaksiaalisen kerrostuksen suorittamiseen sille. Tämä suskeptori on SiC-päällystetty grafiittisuskeptori (kutsutaan myös alustaksi).

2.1 SiC-pinnoitetun grafiittisusseptorin käyttö MOCVD-laitteissa

SiC-pinnoitettu grafiittisuskeptori on avainasemassametallin orgaanisen kemiallisen höyrypinnoituslaitteet (MOCVD).tukee ja lämmittää yksikidealustoja. Tämän suskeptorin lämpöstabiilisuus ja lämpötasaisuus ovat ratkaisevan tärkeitä epitaksiaalisten materiaalien laadulle, joten sitä pidetään MOCVD-laitteiden välttämättömänä ydinkomponenttina. Metallin orgaanisen kemiallisen höyrypinnoitusteknologiaa (MOCVD) käytetään tällä hetkellä laajalti GaN-ohutkalvojen epitaksiaalisessa kasvussa sinisissä LED-valoissa, koska sen etuna on yksinkertainen käyttö, säädettävä kasvunopeus ja korkea puhtaus.

Vetek-puolijohdegrafiittisuskeptori on yksi MOCVD-laitteiden ydinkomponenteista vastuussa yksikidealustojen tukemisesta ja lämmittämisestä, mikä vaikuttaa suoraan ohutkalvomateriaalien tasaisuuteen ja puhtauteen ja liittyy siten epitaksiaalisten kiekkojen valmistuksen laatuun. Käyttökertojen lisääntyessä ja työympäristön muuttuessa grafiittisuskeptori on alttiina kulumiselle ja siksi se luokitellaan kulutustavaraksi.

2.2. SIC-pinnoitetun grafiittisuskeptorin ominaisuudet

MOCVD-laitteiden tarpeiden täyttämiseksi grafiittisuskeptorin pinnoitteella on oltava erityiset ominaisuudet, jotta se täyttää seuraavat standardit:

✔  Hyvä peitto: SiC-pinnoitteen on peitettävä suskeptori kokonaan ja sillä on oltava korkea tiheys, jotta estetään vauriot syövyttävässä kaasuympäristössä.

✔  Suuri sidoslujuus: Pinnoitteen tulee olla tiukasti kiinni suskeptoriin, eikä se ole helppo pudota pois useiden korkean ja matalan lämpötilan jaksojen jälkeen.

✔  Hyvä kemiallinen stabiilisuus: Pinnoitteella on oltava hyvä kemiallinen stabiilisuus, jotta vältytään vaurioilta korkeissa lämpötiloissa ja syövyttävissä ympäristöissä.

2.3 Vaikeuksia ja haasteita grafiitti- ja piikarbidimateriaalien yhteensovittamisessa

Piikarbidi (SiC) toimii hyvin GaN-epitaksiaalisissa ilmakehissä sen etujen, kuten korroosionkestävyyden, korkean lämmönjohtavuuden, lämpöiskun kestävyyden ja hyvän kemiallisen stabiilisuuden ansiosta. Sen lämpölaajenemiskerroin on samanlainen kuin grafiitin, joten se on suositeltava materiaali grafiittisuskeptoripinnoitteissa.

Kuitenkin loppujen lopuksigrafiittijapiikarbidion kaksi eri materiaalia, ja silti tulee tilanteita, joissa pinnoitteen käyttöikä on lyhyt, se on helppo pudota ja nostaa kustannuksia erilaisista lämpölaajenemiskertoimista johtuen. 

3. SiC-pinnoitustekniikka

3.1. Yleiset piikarbidin tyypit

Tällä hetkellä yleisiä piikarbidityyppejä ovat 3C, 4H ja 6H, ja erilaiset piikarbidit sopivat eri tarkoituksiin. Esimerkiksi 4H-SiC soveltuu suuritehoisten laitteiden valmistukseen, 6H-SiC on suhteellisen vakaa ja sitä voidaan käyttää optoelektronisissa laitteissa ja 3C-SiC:llä voidaan valmistaa GaN-epitaksiaalikerroksia ja valmistaa SiC-GaN RF-laitteita. sen rakenne on samanlainen kuin GaN. 3C-SiC:tä kutsutaan yleisesti myös β-SiC:ksi, jota käytetään pääasiassa ohuissa kalvoissa ja päällystysmateriaaleissa. Siksi β-SiC on tällä hetkellä yksi tärkeimmistä pinnoitteiden materiaaleista.

3.2.Piikarbidipinnoitevalmistusmenetelmä

Piikarbidipinnoitteiden valmistukseen on monia vaihtoehtoja, mukaan lukien geeli-sol-menetelmä, ruiskutusmenetelmä, ionisuihkuruiskutusmenetelmä, kemiallinen höyryreaktiomenetelmä (CVR) ja kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä (CVD). Niistä kemiallinen höyrypinnoitusmenetelmä (CVD) on tällä hetkellä pääteknologia piikarbidipinnoitteiden valmistuksessa. Tällä menetelmällä SiC-pinnoitteet kerrostetaan alustan pinnalle kaasufaasireaktion kautta, jonka etuna on pinnoitteen ja alustan välinen tiivis sidos, mikä parantaa substraattimateriaalin hapettumiskestävyyttä ja ablaatiokestävyyttä.

Korkean lämpötilan sintrausmenetelmä, jossa grafiittisubstraatti asetetaan upotusjauheeseen ja sintrataan korkeassa lämpötilassa inertissä ilmakehässä, muodostaa lopulta alustan pinnalle SiC-pinnoitteen, jota kutsutaan upotusmenetelmäksi. Vaikka tämä menetelmä on yksinkertainen ja pinnoite on tiukasti sidottu alustaan, pinnoitteen tasaisuus paksuussuunnassa on huono ja reikiä syntyy helposti, mikä vähentää hapettumisenkestävyyttä.

✔  RuiskutusmenetelmäSiihen kuuluu nestemäisten raaka-aineiden ruiskuttaminen grafiittisubstraatin pinnalle ja sitten raaka-aineiden kiinteyttäminen tietyssä lämpötilassa pinnoitteen muodostamiseksi. Vaikka tämä menetelmä on edullinen, pinnoite on heikosti sitoutunut alustaan, ja pinnoitteen tasaisuus, ohut paksuus ja heikko hapettumisenkestävyys on huono, ja se vaatii yleensä lisäkäsittelyä.

✔  Ionisäteen ruiskutustekniikkakäyttää ionisuihkupistoolia sulan tai osittain sulan materiaalin suihkuttamiseen grafiittisubstraatin pinnalle, joka sitten jähmettyy ja sitoutuu muodostaen pinnoitteen. Vaikka toiminta on yksinkertainen ja voi tuottaa suhteellisen tiheän piikarbidipinnoitteen, pinnoite on helppo rikkoa ja sillä on huono hapettumisenkestävyys. Sitä käytetään yleensä korkealaatuisten piikarbidikomposiittipinnoitteiden valmistukseen.

✔ Sooli-geeli menetelmäTässä menetelmässä valmistetaan yhtenäinen ja läpinäkyvä sooliliuos, levitetään se substraatin pinnalle ja sitten kuivataan ja sintrataan pinnoitteen muodostamiseksi. Vaikka toiminta on yksinkertaista ja kustannuksia alhainen, valmistetun pinnoitteen lämpöiskun kestävyys on alhainen ja se on herkkä halkeilemaan, joten sen käyttöalue on rajallinen.

✔ Kemiallinen höyryreaktiotekniikka (CVR): CVR käyttää Si- ja SiO2-jauhetta SiO-höyryn tuottamiseen ja muodostaa SiC-pinnoitteen kemiallisella reaktiolla hiilimateriaalisubstraatin pinnalle. Vaikka tiiviisti sidottu pinnoite voidaan valmistaa, vaaditaan korkeampi reaktiolämpötila ja kustannukset ovat korkeat.

✔  Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD): CVD on tällä hetkellä laajimmin käytetty tekniikka piikarbidipinnoitteiden valmistuksessa, ja piikarbidipinnoitteet muodostuvat kaasufaasireaktioista substraatin pinnalla. Tällä menetelmällä valmistettu pinnoite sitoutuu tiiviisti alustaan, mikä parantaa alustan hapettumiskestävyyttä ja ablaatiokestävyyttä, mutta vaatii pitkän kerrostumisajan ja reaktiokaasu voi olla myrkyllistä.

Kuva 3. Kemiallinen höyrypinnoituskaavio

4. Markkinakilpailu jaVetek puolijohdeteknologinen innovaatio

Ulkomaiset valmistajat aloittivat piikarbidipinnoitetun grafiittisubstraattien markkinoilla aikaisemmin, ja niillä oli ilmeisiä etuja ja suurempi markkinaosuus. Kansainvälisesti Xycard Alankomaissa, SGL Saksassa, Toyo Tanso Japanissa ja MEMC Yhdysvalloissa ovat valtavirran toimittajia, jotka pohjimmiltaan monopolisoivat kansainväliset markkinat. Kiina on kuitenkin nyt murtanut läpi ydinteknologian, joka sisältää tasaisesti kasvavia piikarbidipinnoitteita grafiittisubstraattien pinnalla, ja sen laadun ovat tarkastaneet kotimaiset ja ulkomaiset asiakkaat. Samalla sillä on myös tiettyjä hintakilpailuetuja, jotka voivat täyttää MOCVD-laitteiden vaatimukset piikarbidilla päällystettyjen grafiittisubstraattien käytölle. 

Vetek puolijohde on harjoittanut tutkimus- ja kehitystyötä alallaSiC pinnoitteetyli 20 vuoden ajan. Siksi olemme käynnistäneet saman puskurikerrosteknologian kuin SGL. Erityisen käsittelytekniikan avulla grafiitin ja piikarbidin väliin voidaan lisätä puskurikerros käyttöiän pidentämiseksi yli kaksinkertaiseksi.