Kaj je grafitni suceptor, prevlečen s SiC?

Slika 1. Grafitni suceptor, prevlečen s SiC

1. Epitaksialni sloj in njegova oprema

Med postopkom izdelave rezin moramo dodatno zgraditi epitaksialno plast na nekaterih podlagah za rezine, da olajšamo izdelavo naprav. Epitaksija se nanaša na postopek gojenja novega monokristala na enokristalnem substratu, ki je bil skrbno obdelan z rezanjem, brušenjem in poliranjem. Novi monokristal je lahko enak material kot substrat ali drugačen material (homoepitaksialen ali heteroepitaksialen). Ker nova monokristalna plast raste vzdolž kristalne faze substrata, se imenuje epitaksialna plast, izdelava naprave pa poteka na epitaksialni plasti. 

Na primer, aGaAs epitaksialnoplast je pripravljena na silicijevem substratu za LED svetleče naprave; aSiC epitaksialnoplast je gojena na prevodnem substratu SiC za konstrukcijo SBD, MOSFET in drugih naprav v energetskih aplikacijah; epitaksialna plast GaN je izdelana na polizolacijskem substratu iz SiC za nadaljnjo proizvodnjo naprav, kot je HEMT, v radiofrekvenčnih aplikacijah, kot so komunikacije. Parametri, kot sta debelina epitaksialnih materialov SiC in koncentracija nosilca v ozadju, neposredno določajo različne električne lastnosti naprav SiC. Pri tem procesu ne moremo brez opreme za kemično naparjevanje (CVD).

Slika 2. Epitaksialni načini rasti filma

2. Pomen grafitnega suceptorja, prevlečenega s SiC, v CVD opremi

Pri CVD opremi substrata ne moremo postaviti neposredno na kovino ali preprosto na podlago za epitaksialno nanašanje, ker vključuje številne dejavnike, kot so smer pretoka plina (vodoravno, navpično), temperatura, tlak, fiksacija in onesnaževalci. Zato moramo uporabiti suceptor (nosilec rezin), da substrat položite na pladenj in s tehnologijo CVD izvedete epitaksialno nanašanje nanj. Ta sprejemnik je grafitni sprejemnik, prevlečen s SiC (imenovan tudi pladenj).

2.1 Uporaba grafitnega suceptorja, prevlečenega s SiC, v opremi MOCVD

Grafitni suceptor, prevlečen s SiC, igra ključno vlogo prioprema za kemično naparjevanje organskih kovin (MOCVD).za podporo in ogrevanje monokristalnih substratov. Toplotna stabilnost in toplotna enotnost tega suceptorja sta ključni za kakovost epitaksialnih materialov, zato velja za nepogrešljivo osrednjo komponento v opremi MOCVD. Tehnologija kovinskega organskega kemičnega naparjevanja (MOCVD) se trenutno pogosto uporablja pri epitaksialni rasti tankih plasti GaN v modrih LED, ker ima prednosti preprostega delovanja, nadzorovane stopnje rasti in visoke čistosti.

Kot ena od osrednjih komponent v opremi MOCVD je polprevodniški grafitni suceptor Vetek odgovoren za podporo in ogrevanje monokristalnih substratov, kar neposredno vpliva na enotnost in čistost tankoslojnih materialov in je tako povezano s kakovostjo priprave epitaksialnih rezin. Ker se število uporab povečuje in delovno okolje se spreminja, je grafitni suceptor nagnjen k obrabi in ga zato uvrščamo med potrošni material.

2.2. Značilnosti grafitnega suceptorja s prevleko SIC

Za izpolnjevanje potreb opreme MOCVD mora imeti prevleka, ki je potrebna za grafitni sprejemnik, posebne lastnosti, da izpolnjuje naslednje standarde:

✔  Dobra prekrivnost: Prevleka SiC mora popolnoma prekrivati ​​suceptor in imeti visoko stopnjo gostote, da prepreči poškodbe v okolju korozivnega plina.

✔  Visoka trdnost lepljenja: Premaz mora biti trdno vezan na suceptor in ne sme zlahka odpasti po večkratnih ciklih visoke in nizke temperature.

✔  Dobra kemična stabilnost: Prevleka mora imeti dobro kemično stabilnost, da preprečimo poškodbe pri visokih temperaturah in jedkih atmosferah.

2.3 Težave in izzivi pri ujemanju materialov grafita in silicijevega karbida

Silicijev karbid (SiC) se dobro obnese v epitaksialnih atmosferah GaN zaradi svojih prednosti, kot so odpornost proti koroziji, visoka toplotna prevodnost, odpornost na toplotni udar in dobra kemična stabilnost. Njegov koeficient toplotnega raztezanja je podoben koeficientu grafita, zaradi česar je prednostni material za grafitne suceptorske prevleke.

Vendar navsezadnjegrafitinsilicijev karbidsta dva različna materiala in še vedno bodo situacije, ko ima premaz kratko življenjsko dobo, zlahka odpade in poveča stroške zaradi različnih koeficientov toplotnega raztezanja. 

3. SiC Coating tehnologija

3.1. Pogoste vrste SiC

Trenutno pogoste vrste SiC vključujejo 3C, 4H in 6H, različne vrste SiC pa so primerne za različne namene. Na primer, 4H-SiC je primeren za proizvodnjo visokozmogljivih naprav, 6H-SiC je relativno stabilen in se lahko uporablja za optoelektronske naprave, 3C-SiC pa se lahko uporablja za pripravo epitaksialnih plasti GaN in izdelavo SiC-GaN RF naprav zaradi podobno strukturo kot GaN. 3C-SiC se običajno imenuje tudi β-SiC, ki se večinoma uporablja za tanke filme in premazne materiale. Zato je β-SiC trenutno eden glavnih materialov za premaze.

3.2.Prevleka iz silicijevega karbidanačin priprave

Obstaja veliko možnosti za pripravo premazov iz silicijevega karbida, vključno z metodo gel-sol, metodo razprševanja, metodo razprševanja z ionskim žarkom, metodo kemične parne reakcije (CVR) in metodo kemičnega naparjevanja (CVD). Med njimi je metoda kemičnega naparjevanja (CVD) trenutno glavna tehnologija za pripravo SiC prevlek. Ta metoda nanese prevleke SiC na površino substrata z reakcijo plinske faze, ki ima prednosti tesne vezi med prevleko in substratom, izboljšanje odpornosti proti oksidaciji in odpornosti materiala substrata na ablacijo.

Metoda visokotemperaturnega sintranja z namestitvijo grafitne podlage v vgradni prah in sintranjem pri visoki temperaturi v inertni atmosferi končno oblikuje SiC prevleko na površini podlage, kar se imenuje metoda vdelave. Čeprav je ta metoda enostavna in je premaz tesno vezan na podlago, je enakomernost premaza v smeri debeline slaba in nagnjeni so k pojavu lukenj, kar zmanjša odpornost proti oksidaciji.

✔  Način škropljenjavključuje pršenje tekočih surovin na površino grafitne podlage in nato strjevanje surovin pri določeni temperaturi, da se oblikuje prevleka. Čeprav je ta metoda poceni, je prevleka šibko vezana na podlago, prevleka ima slabo enakomernost, tanko debelino in slabo odpornost proti oksidaciji ter običajno zahteva dodatno obdelavo.

✔  Tehnologija brizganja z ionskimi žarkiuporablja pištolo z ionskim žarkom za razprševanje staljenega ali delno staljenega materiala na površino grafitne podlage, ki se nato strdi in veže v premaz. Čeprav je postopek preprost in lahko proizvede razmeroma gosto prevleko iz silicijevega karbida, je prevleko enostavno zlomiti in ima slabo odpornost proti oksidaciji. Običajno se uporablja za pripravo visokokakovostnih SiC kompozitnih prevlek.

✔ Sol-gel metoda, ta metoda vključuje pripravo enotne in prozorne raztopine sola, njeno nanašanje na površino substrata ter nato sušenje in sintranje, da se oblikuje premaz. Čeprav je postopek preprost in strošek nizek, ima pripravljen premaz nizko odpornost na toplotne udarce in je nagnjen k pokanju, zato je obseg njegove uporabe omejen.

✔ Tehnologija kemične parne reakcije (CVR): CVR uporablja prah Si in SiO2 za generiranje hlapov SiO in tvori prevleko SiC s kemično reakcijo na površini substrata iz ogljikovega materiala. Čeprav je mogoče pripraviti tesno vezan premaz, je potrebna višja reakcijska temperatura in stroški so visoki.

✔  Kemično naparjevanje (CVD): CVD je trenutno najpogosteje uporabljena tehnologija za pripravo SiC prevlek, SiC prevleke pa nastanejo z reakcijami plinske faze na površini substrata. Prevleka, pripravljena s to metodo, je tesno povezana s podlago, kar izboljša odpornost podlage proti oksidaciji in ablaciji, vendar zahteva dolg čas nanašanja, reakcijski plin pa je lahko strupen.

Slika 3. Diagram kemičnega nanašanja s hlapi

4. Tržna konkurenca inVetek Semiconductortehnološke inovacije

Na trgu grafitnih substratov, prevlečenih s SiC, so tuji proizvajalci začeli prej, z očitnimi vodilnimi prednostmi in večjim tržnim deležem. Mednarodno so Xycard na Nizozemskem, SGL v Nemčiji, Toyo Tanso na Japonskem in MEMC v Združenih državah glavni dobavitelji in v bistvu monopolizirajo mednarodni trg. Vendar pa je Kitajska zdaj prebila temeljno tehnologijo enakomerno rastočih prevlek SiC na površini grafitnih substratov, njeno kakovost pa so potrdile domače in tuje stranke. Hkrati ima tudi določene konkurenčne prednosti v ceni, ki lahko izpolnjujejo zahteve opreme MOCVD za uporabo grafitnih substratov, prevlečenih s SiC. 

Vetek semiconductor se ukvarja z raziskavami in razvojem na področjuSiC prevlekeže več kot 20 let. Zato smo uvedli isto tehnologijo vmesnega sloja kot SGL. S posebno tehnologijo obdelave je mogoče med grafit in silicijev karbid dodati vmesni sloj, da podaljša življenjsko dobo za več kot dvakrat.