Čo je grafitový susceptor potiahnutý SiC?

Obrázok 1. Grafitový susceptor potiahnutý SiC

1. Epitaxná vrstva a jej vybavenie

Počas procesu výroby doštičiek musíme ďalej vybudovať epitaxnú vrstvu na niektorých substrátoch doštičiek, aby sme uľahčili výrobu zariadení. Epitaxia označuje proces pestovania nového monokryštálu na monokryštálovom substráte, ktorý bol starostlivo spracovaný rezaním, brúsením a leštením. Nový monokryštál môže byť rovnaký materiál ako substrát alebo iný materiál (homoepitaxiálny alebo heteroepitaxiálny). Pretože nová vrstva monokryštálu rastie pozdĺž kryštálovej fázy substrátu, nazýva sa epitaxná vrstva a výroba zariadenia sa vykonáva na epitaxiálnej vrstve. 

Napríklad aGaAs epitaxnévrstva je pripravená na silikónovom substráte pre LED zariadenia vyžarujúce svetlo; aSiC epitaxnévrstva je pestovaná na vodivom SiC substráte pre konštrukciu SBD, MOSFET a iných zariadení v energetických aplikáciách; epitaxná vrstva GaN je skonštruovaná na poloizolačnom SiC substráte na ďalšiu výrobu zariadení, ako je HEMT, v rádiofrekvenčných aplikáciách, ako sú komunikácie. Parametre, ako je hrúbka epitaxných materiálov SiC a koncentrácia nosiča pozadia priamo určujú rôzne elektrické vlastnosti zariadení SiC. V tomto procese sa nezaobídeme bez zariadenia na chemické vylučovanie z plynnej fázy (CVD).

Obrázok 2. Režimy rastu epitaxného filmu

2. Význam grafitového susceptora potiahnutého SiC v CVD zariadeniach

V zariadeniach CVD nemôžeme umiestniť substrát priamo na kov alebo jednoducho na základňu pre epitaxnú depozíciu, pretože to zahŕňa mnoho faktorov, ako je smer prúdenia plynu (horizontálny, vertikálny), teplota, tlak, fixácia a nečistoty. Preto musíme použiť susceptor (nosič oblátok) umiestnite substrát na tácku a pomocou technológie CVD na ňom vykonajte epitaxnú depozíciu. Tento susceptor je grafitový susceptor potiahnutý SiC (nazývaný tiež podnos).

2.1 Aplikácia grafitového susceptora potiahnutého SiC v zariadení MOCVD

Kľúčovú úlohu zohráva grafitový susceptor potiahnutý SiCzariadenie na organickú chemickú depozíciu z pár (MOCVD).na podporu a zahrievanie monokryštálových substrátov. Tepelná stabilita a tepelná rovnomernosť tohto susceptora sú rozhodujúce pre kvalitu epitaxných materiálov, preto sa považuje za nenahraditeľnú jadrovú súčasť zariadenia MOCVD. Technológia kovovej organickej chemickej depozície z plynnej fázy (MOCVD) je v súčasnosti široko používaná pri epitaxnom raste tenkých vrstiev GaN v modrých LED diódach, pretože má výhody jednoduchej prevádzky, kontrolovateľnej rýchlosti rastu a vysokej čistoty.

Polovodičový grafitový susceptor Vetek, ako jedna zo základných súčastí zariadenia MOCVD, je zodpovedný za podporu a zahrievanie monokryštálových substrátov, čo priamo ovplyvňuje rovnomernosť a čistotu tenkovrstvových materiálov, a teda súvisí s kvalitou prípravy epitaxných plátkov. S rastúcim počtom použití a zmenami pracovného prostredia je grafitový susceptor náchylný na opotrebovanie, a preto je klasifikovaný ako spotrebný materiál.

2.2. Charakteristika grafitového susceptora potiahnutého SIC

Na splnenie potrieb zariadenia MOCVD musí mať povlak požadovaný pre grafitový susceptor špecifické vlastnosti, aby spĺňal nasledujúce normy:

✔  Dobré pokrytie: Povlak SiC musí úplne pokryť susceptor a mať vysoký stupeň hustoty, aby sa zabránilo poškodeniu v prostredí s korozívnym plynom.

✔  Vysoká pevnosť spoja: Povlak by mal byť pevne spojený so susceptorom a nemal by ľahko spadnúť po viacerých cykloch pri vysokej a nízkej teplote.

✔  Dobrá chemická stabilita: Povlak musí mať dobrú chemickú stabilitu, aby sa zabránilo zlyhaniu pri vysokej teplote a korozívnej atmosfére.

2.3 Ťažkosti a výzvy pri spájaní materiálov grafitu a karbidu kremíka

Karbid kremíka (SiC) funguje dobre v GaN epitaxných atmosférach vďaka svojim výhodám, ako je odolnosť proti korózii, vysoká tepelná vodivosť, odolnosť proti tepelným šokom a dobrá chemická stabilita. Jeho koeficient tepelnej rozťažnosti je podobný koeficientu grafitu, čo z neho robí preferovaný materiál pre povlaky grafitových susceptorov.

Avšak koniec koncov,grafitakarbid kremíkasú dva rozdielne materiály a stále budú existovať situácie, kedy má povlak krátku životnosť, ľahko odpadáva a zvyšuje náklady v dôsledku rôznych koeficientov tepelnej rozťažnosti. 

3. Technológia SiC Coating

3.1. Bežné typy SiC

V súčasnosti medzi bežné typy SiC patrí 3C, 4H a 6H a rôzne typy SiC sú vhodné na rôzne účely. Napríklad 4H-SiC je vhodný na výrobu zariadení s vysokým výkonom, 6H-SiC je relatívne stabilný a možno ho použiť pre optoelektronické zariadenia a 3C-SiC možno použiť na prípravu epitaxných vrstiev GaN a výrobu SiC-GaN RF zariadení vďaka má podobnú štruktúru ako GaN. 3C-SiC sa bežne označuje aj ako β-SiC, ktorý sa používa hlavne na tenké filmy a náterové materiály. Preto je β-SiC v súčasnosti jedným z hlavných materiálov pre nátery.

3.2.Povlak z karbidu kremíkaspôsob prípravy

Existuje mnoho možností na prípravu povlakov z karbidu kremíka, vrátane metódy gél-sol, metódy striekania, metódy striekania iónovým lúčom, metódy chemickej reakcie pár (CVR) a metódy chemického nanášania pár (CVD). Spomedzi nich je v súčasnosti hlavnou technológiou na prípravu povlakov SiC metóda chemického nanášania pár (CVD). Táto metóda nanáša povlaky SiC na povrch substrátu prostredníctvom reakcie v plynnej fáze, ktorá má výhody úzkej väzby medzi povlakom a substrátom, čím sa zlepšuje odolnosť materiálu substrátu voči oxidácii a ablácia.

Metóda vysokoteplotného spekania, umiestnením grafitového substrátu do zalievacieho prášku a jeho spekaním pri vysokej teplote pod inertnou atmosférou, nakoniec vytvorí na povrchu substrátu povlak SiC, ktorý sa nazýva zalievacia metóda. Hoci je tento spôsob jednoduchý a povlak je pevne spojený so substrátom, rovnomernosť povlaku v smere hrúbky je slabá a sú náchylné na vznik dier, čo znižuje odolnosť proti oxidácii.

✔  Metóda striekaniazahŕňa striekanie tekutých surovín na povrch grafitového substrátu a následné tuhnutie surovín pri špecifickej teplote za vzniku povlaku. Aj keď je tento spôsob lacný, povlak je slabo spojený so substrátom a povlak má zlú rovnomernosť, tenkú hrúbku a zlú odolnosť proti oxidácii a zvyčajne vyžaduje ďalšie ošetrenie.

✔  Technológia striekania iónovým lúčompoužíva pištoľ s iónovým lúčom na rozprašovanie roztaveného alebo čiastočne roztaveného materiálu na povrch grafitového substrátu, ktorý potom stuhne a spojí sa a vytvorí povlak. Aj keď je operácia jednoduchá a môže vytvoriť relatívne hustý povlak karbidu kremíka, povlak sa ľahko zlomí a má zlú odolnosť proti oxidácii. Zvyčajne sa používa na prípravu vysokokvalitných kompozitných povlakov SiC.

✔ Sol-gélová metódaTento spôsob zahŕňa prípravu rovnomerného a transparentného roztoku sólu, jeho nanesenie na povrch substrátu a následné sušenie a spekanie za vzniku povlaku. Hoci je operácia jednoduchá a náklady sú nízke, pripravený náter má nízku odolnosť proti tepelným šokom a je náchylný na praskanie, takže rozsah jeho použitia je obmedzený.

✔ Technológia chemickej reakcie pár (CVR): CVR používa Si a SiO2 prášok na generovanie SiO pary a vytvára SiC povlak chemickou reakciou na povrchu substrátu uhlíkového materiálu. Hoci je možné pripraviť pevne spojený povlak, vyžaduje sa vyššia reakčná teplota a náklady sú vysoké.

✔  Chemické vylučovanie z pár (CVD): CVD je v súčasnosti najpoužívanejšou technológiou na prípravu povlakov SiC a povlaky SiC vznikajú reakciami v plynnej fáze na povrchu substrátu. Povlak pripravený týmto spôsobom je tesne spojený so substrátom, čo zlepšuje odolnosť substrátu voči oxidácii a odolnosť voči ablácii, ale vyžaduje si dlhý čas nanášania a reakčný plyn môže byť toxický.

Obrázok 3. Diagram chemickej depozície pár

4. Konkurencia na trhu aVetek Semiconductortechnologická inovácia

Na trhu s grafitovým substrátom potiahnutým SiC zahraniční výrobcovia začali skôr, so zjavnými vedúcimi výhodami a vyšším podielom na trhu. V medzinárodnom meradle sú Xycard v Holandsku, SGL v Nemecku, Toyo Tanso v Japonsku a MEMC v USA hlavnými dodávateľmi a v podstate monopolizujú medzinárodný trh. Čína však teraz prelomila základnú technológiu rovnomerne rastúcich SiC povlakov na povrchu grafitových substrátov a jej kvalitu overili domáci aj zahraniční zákazníci. Zároveň má aj určité konkurenčné výhody v cene, ktorá dokáže splniť požiadavky MOCVD zariadení na použitie grafitových substrátov potiahnutých SiC. 

Vetek semiconductor sa zaoberá výskumom a vývojom v oblastiSiC povlakyuž viac ako 20 rokov. Preto sme spustili rovnakú technológiu vyrovnávacej vrstvy ako SGL. Prostredníctvom špeciálnej technológie spracovania možno medzi grafit a karbid kremíka pridať vyrovnávaciu vrstvu, aby sa životnosť zvýšila viac ako dvojnásobne.