Wat is een SiC-gecoate grafiet susceptor?

Figuur 1. SiC-gecoate grafiet susceptor

1. Epitaxiale laag en zijn uitrusting

Tijdens het productieproces van wafels moeten we op sommige wafelsubstraten verder een epitaxiale laag bouwen om de vervaardiging van apparaten te vergemakkelijken. Epitaxie verwijst naar het proces waarbij een nieuw enkel kristal groeit op een enkel kristalsubstraat dat zorgvuldig is verwerkt door snijden, slijpen en polijsten. Het nieuwe monokristal kan van hetzelfde materiaal zijn als het substraat, of van een ander materiaal (homoepitaxiaal of heteroepitaxiaal). Omdat de nieuwe enkele kristallaag langs de substraatkristalfase groeit, wordt deze een epitaxiale laag genoemd en wordt de vervaardiging van het apparaat uitgevoerd op de epitaxiale laag. 

Bijvoorbeeld, eenGaAs epitaxiaallaag wordt voorbereid op een siliciumsubstraat voor LED-lichtgevende apparaten; ASiC epitaxiaallaag wordt gegroeid op een geleidend SiC-substraat voor de constructie van SBD, MOSFET en andere apparaten in stroomtoepassingen; een GaN-epitaxiale laag wordt geconstrueerd op een semi-isolerend SiC-substraat om apparaten zoals HEMT verder te vervaardigen in radiofrequentietoepassingen zoals communicatie. Parameters zoals de dikte van epitaxiale SiC-materialen en de concentratie van achtergronddragers bepalen rechtstreeks de verschillende elektrische eigenschappen van SiC-apparaten. Bij dit proces kunnen we niet zonder apparatuur voor chemische dampdepositie (CVD).

Figuur 2. Epitaxiale filmgroeimodi

2. Belang van een met SiC gecoate grafiet susceptor in CVD-apparatuur

Bij CVD-apparatuur kunnen we het substraat niet rechtstreeks op het metaal plaatsen of eenvoudigweg op een basis voor epitaxiale afzetting, omdat er veel factoren bij betrokken zijn, zoals de richting van de gasstroom (horizontaal, verticaal), temperatuur, druk, fixatie en verontreinigingen. Daarom moeten we een susceptor gebruiken (wafel drager) om het substraat op een bakje te plaatsen en CVD-technologie te gebruiken om er epitaxiale afzetting op uit te voeren. Deze susceptor is de SiC-gecoate grafiet susceptor (ook wel tray genoemd).

2.1 Toepassing van met SiC gecoate grafiet susceptor in MOCVD-apparatuur

De SiC-gecoate grafiet susceptor speelt een sleutelrolapparatuur voor metaalorganische chemische dampafzetting (MOCVD).voor het ondersteunen en verwarmen van monokristallijne substraten. De thermische stabiliteit en thermische uniformiteit van deze susceptor zijn cruciaal voor de kwaliteit van epitaxiale materialen, daarom wordt het beschouwd als een onmisbaar kerncomponent in MOCVD-apparatuur. Technologie voor metaalorganische chemische dampdepositie (MOCVD) wordt momenteel veel gebruikt bij de epitaxiale groei van dunne GaN-films in blauwe LED's, omdat deze de voordelen heeft van een eenvoudige bediening, een regelbare groeisnelheid en een hoge zuiverheid.

Als een van de kerncomponenten in MOCVD-apparatuur is de Vetek halfgeleider-grafiet susceptor verantwoordelijk voor het ondersteunen en verwarmen van monokristallijne substraten, wat een directe invloed heeft op de uniformiteit en zuiverheid van dunne-filmmaterialen, en dus verband houdt met de preparatiekwaliteit van epitaxiale wafers. Naarmate het aantal toepassingen toeneemt en de werkomgeving verandert, is de grafietkroes gevoelig voor slijtage en wordt daarom geclassificeerd als een verbruiksartikel.

2.2. Kenmerken van een SIC-gecoate grafiet susceptor

Om aan de behoeften van MOCVD-apparatuur te voldoen, moet de coating die nodig is voor de grafiet susceptor specifieke kenmerken hebben om aan de volgende normen te voldoen:

✔  Goede dekking: De SiC-coating moet de susceptor volledig bedekken en een hoge dichtheid hebben om schade in een corrosieve gasomgeving te voorkomen.

✔  Hoge hechtsterkte: De coating moet stevig aan de susceptor zijn gehecht en mag er niet gemakkelijk vanaf vallen na meerdere cycli bij hoge en lage temperaturen.

✔  Goede chemische stabiliteit: De coating moet een goede chemische stabiliteit hebben om defecten in hoge temperaturen en corrosieve atmosferen te voorkomen.

2.3 Moeilijkheden en uitdagingen bij het matchen van grafiet- en siliciumcarbidematerialen

Siliciumcarbide (SiC) presteert goed in epitaxiale GaN-atmosferen vanwege zijn voordelen zoals corrosieweerstand, hoge thermische geleidbaarheid, thermische schokbestendigheid en goede chemische stabiliteit. De thermische uitzettingscoëfficiënt is vergelijkbaar met die van grafiet, waardoor dit het voorkeursmateriaal is voor grafiet susceptorcoatings.

Echter, tenslottegrafietEnsiliciumcarbidezijn twee verschillende materialen, en er zullen nog steeds situaties zijn waarin de coating een korte levensduur heeft, er gemakkelijk af valt en de kosten verhoogt als gevolg van verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten. 

3. SiC-coatingtechnologie

3.1. Veel voorkomende soorten SiC

Momenteel omvatten de gebruikelijke typen SiC 3C, 4H en 6H, en verschillende typen SiC zijn geschikt voor verschillende doeleinden. 4H-SiC is bijvoorbeeld geschikt voor de productie van apparaten met een hoog vermogen, 6H-SiC is relatief stabiel en kan worden gebruikt voor opto-elektronische apparaten, en 3C-SiC kan worden gebruikt om GaN-epitaxiale lagen te maken en SiC-GaN RF-apparaten te vervaardigen vanwege de de vergelijkbare structuur als GaN. 3C-SiC wordt ook vaak β-SiC genoemd en wordt voornamelijk gebruikt voor dunne films en coatingmaterialen. Daarom is β-SiC momenteel een van de belangrijkste materialen voor coatings.

3.2.Siliciumcarbide coatingbereidingswijze

Er zijn veel opties voor de bereiding van siliciumcarbidecoatings, waaronder de gel-sol-methode, de spuitmethode, de ionenstraalspuitmethode, de chemische dampreactiemethode (CVR) en de chemische dampdepositiemethode (CVD). Onder hen is de chemische dampdepositiemethode (CVD) momenteel de belangrijkste technologie voor het bereiden van SiC-coatings. Bij deze methode worden SiC-coatings op het oppervlak van het substraat aangebracht door middel van een gasfasereactie, wat de voordelen heeft van een nauwe binding tussen de coating en het substraat, waardoor de oxidatieweerstand en ablatieweerstand van het substraatmateriaal worden verbeterd.

De sintermethode bij hoge temperatuur, door het grafietsubstraat in het inbeddingspoeder te plaatsen en het bij hoge temperatuur onder een inerte atmosfeer te sinteren, vormt uiteindelijk een SiC-coating op het oppervlak van het substraat, die de inbeddingsmethode wordt genoemd. Hoewel deze methode eenvoudig is en de coating stevig aan het substraat is gehecht, is de uniformiteit van de coating in de dikterichting slecht en kunnen er gaten ontstaan, wat de oxidatieweerstand vermindert.

✔  De spuitmethodeomvat het spuiten van vloeibare grondstoffen op het oppervlak van het grafietsubstraat en het vervolgens laten stollen van de grondstoffen bij een specifieke temperatuur om een ​​coating te vormen. Hoewel deze methode goedkoop is, is de coating zwak gebonden aan het substraat en heeft de coating een slechte uniformiteit, dunne dikte en slechte oxidatieweerstand, en vereist deze gewoonlijk aanvullende behandeling.

✔  Ionenstraal-sproeitechnologiegebruikt een ionenstraalpistool om gesmolten of gedeeltelijk gesmolten materiaal op het oppervlak van een grafietsubstraat te spuiten, dat vervolgens stolt en zich hecht om een ​​coating te vormen. Hoewel de bewerking eenvoudig is en een relatief dichte siliciumcarbidecoating kan worden geproduceerd, is de coating gemakkelijk te breken en heeft deze een slechte oxidatieweerstand. Het wordt meestal gebruikt om hoogwaardige SiC-composietcoatings te bereiden.

✔ Sol-gel-methodeDeze methode omvat het bereiden van een uniforme en transparante soloplossing, het aanbrengen ervan op het oppervlak van het substraat en vervolgens drogen en sinteren om een ​​coating te vormen. Hoewel de bediening eenvoudig is en de kosten laag zijn, heeft de bereide coating een lage thermische schokbestendigheid en is deze gevoelig voor scheuren, waardoor het toepassingsbereik ervan beperkt is.

✔ Chemische dampreactietechnologie (CVR): CVR gebruikt Si- en SiO2-poeder om SiO-damp te genereren en vormt een SiC-coating door chemische reactie op het oppervlak van het koolstofmateriaalsubstraat. Hoewel een stevig hechtende coating kan worden vervaardigd, is een hogere reactietemperatuur vereist en zijn de kosten hoog.

✔  Chemische dampafzetting (CVD): CVD is momenteel de meest gebruikte technologie voor het bereiden van SiC-coatings, en SiC-coatings worden gevormd door gasfasereacties op het oppervlak van het substraat. De met deze methode bereide coating is nauw verbonden met het substraat, wat de oxidatieweerstand en ablatieweerstand van het substraat verbetert, maar een lange afzettingstijd vereist, en het reactiegas kan giftig zijn.

Figuur 3. Diagram van chemische dampafzetting

4. Marktconcurrentie enVetek halfgeleider’s technologische innovatie

Op de markt voor SiC-gecoate grafietsubstraten zijn buitenlandse fabrikanten eerder begonnen, met duidelijke leidende voordelen en een groter marktaandeel. Internationaal zijn Xycard in Nederland, SGL in Duitsland, Toyo Tanso in Japan en MEMC in de Verenigde Staten reguliere leveranciers, en zij monopoliseren feitelijk de internationale markt. China heeft nu echter de kerntechnologie van het uniform groeien van SiC-coatings op het oppervlak van grafietsubstraten doorbroken, en de kwaliteit ervan is geverifieerd door binnenlandse en buitenlandse klanten. Tegelijkertijd heeft het ook bepaalde prijsvoordelen, die kunnen voldoen aan de eisen van MOCVD-apparatuur voor het gebruik van met SiC gecoate grafietsubstraten. 

Vetek semiconductor houdt zich bezig met onderzoek en ontwikkeling op het gebied vanSiC-coatingsal meer dan 20 jaar. Daarom hebben we dezelfde bufferlaagtechnologie gelanceerd als SGL. Door speciale verwerkingstechnologie kan een bufferlaag tussen grafiet en siliciumcarbide worden toegevoegd om de levensduur met meer dan twee keer te verlengen.