Co je grafitový susceptor potažený SiC?

Obrázek 1. Grafitový susceptor potažený SiC

1. Epitaxní vrstva a její vybavení

Během procesu výroby waferů potřebujeme dále vybudovat epitaxní vrstvu na některých waferových substrátech, abychom usnadnili výrobu zařízení. Epitaxe označuje proces růstu nového monokrystalu na monokrystalovém substrátu, který byl pečlivě zpracován řezáním, broušením a leštěním. Nový monokrystal může být stejný materiál jako substrát nebo jiný materiál (homoepitaxiální nebo heteroepitaxní). Protože nová vrstva monokrystalu roste podél krystalové fáze substrátu, nazývá se epitaxní vrstva a výroba zařízení se provádí na epitaxní vrstvě. 

Například aGaAs epitaxnívrstva je připravena na silikonovém substrátu pro LED zařízení vyzařující světlo; ASiC epitaxnívrstva je pěstována na vodivém SiC substrátu pro konstrukci SBD, MOSFET a dalších zařízení v energetických aplikacích; epitaxní vrstva GaN je konstruována na poloizolačním SiC substrátu pro další výrobu zařízení, jako je HEMT, v radiofrekvenčních aplikacích, jako jsou komunikace. Parametry, jako je tloušťka epitaxních materiálů SiC a koncentrace nosného pozadí přímo určují různé elektrické vlastnosti zařízení SiC. V tomto procesu se neobejdeme bez zařízení pro chemickou depozici z plynné fáze (CVD).

Obrázek 2. Režimy růstu epitaxního filmu

2. Význam grafitového susceptoru potaženého SiC v CVD zařízení

V CVD zařízení nemůžeme umístit substrát přímo na kov nebo jednoduše na základnu pro epitaxní depozici, protože to zahrnuje mnoho faktorů, jako je směr proudění plynu (horizontální, vertikální), teplota, tlak, fixace a nečistoty. Proto musíme použít susceptor (nosič oplatek) umístěte substrát na podnos a pomocí technologie CVD na něm proveďte epitaxní nanášení. Tento susceptor je grafitový susceptor potažený SiC (také nazývaný podnos).

2.1 Aplikace grafitového susceptoru potaženého SiC v zařízení MOCVD

Klíčovou roli hraje grafitový susceptor potažený SiCzařízení na organickou chemickou depozici z plynné fáze (MOCVD).k podpoře a ohřevu monokrystalických substrátů. Tepelná stabilita a tepelná rovnoměrnost tohoto susceptoru jsou rozhodující pro kvalitu epitaxních materiálů, takže je považován za nepostradatelnou základní součást zařízení MOCVD. Technologie organické chemické depozice z plynné fáze (MOCVD) je v současné době široce používána při epitaxním růstu tenkých vrstev GaN v modrých LED diodách, protože má výhody jednoduchého ovládání, řiditelné rychlosti růstu a vysoké čistoty.

Polovodičový grafitový susceptor Vetek, jako jedna z hlavních součástí zařízení MOCVD, je zodpovědný za podporu a ohřev monokrystalických substrátů, což přímo ovlivňuje stejnoměrnost a čistotu tenkovrstvých materiálů, a tedy souvisí s kvalitou přípravy epitaxních waferů. Jak se zvyšuje počet použití a mění se pracovní prostředí, je grafitový susceptor náchylný k opotřebení, a proto je klasifikován jako spotřební materiál.

2.2. Charakteristika grafitového susceptoru potaženého SIC

Pro splnění potřeb zařízení MOCVD musí mít povlak požadovaný pro grafitový susceptor specifické vlastnosti, aby splňoval následující normy:

✔  Dobré pokrytí: Povlak SiC musí zcela pokrýt susceptor a mít vysoký stupeň hustoty, aby se zabránilo poškození v prostředí s korozivním plynem.

✔  Vysoká pevnost spojení: Povlak by měl být pevně spojen se susceptorem a neměl by snadno spadnout po několika vysokoteplotních a nízkoteplotních cyklech.

✔  Dobrá chemická stabilita: Povlak musí mít dobrou chemickou stabilitu, aby se zabránilo selhání při vysokých teplotách a korozivním prostředí.

2.3 Obtíže a výzvy při párování materiálů grafitu a karbidu křemíku

Karbid křemíku (SiC) funguje dobře v GaN epitaxních atmosférách díky svým výhodám, jako je odolnost proti korozi, vysoká tepelná vodivost, odolnost proti tepelným šokům a dobrá chemická stabilita. Jeho koeficient tepelné roztažnosti je podobný jako u grafitu, což z něj činí preferovaný materiál pro povlaky grafitových susceptorů.

Nicméně koneckonců,grafitakarbid křemíkujsou dva různé materiály a stále se budou vyskytovat situace, kdy má povlak krátkou životnost, snadno odpadává a zvyšuje náklady v důsledku různých koeficientů tepelné roztažnosti. 

3. Technologie SiC Coating

3.1. Běžné typy SiC

V současnosti mezi běžné typy SiC patří 3C, 4H a 6H a různé typy SiC jsou vhodné pro různé účely. Například 4H-SiC je vhodný pro výrobu vysoce výkonných zařízení, 6H-SiC je relativně stabilní a lze jej použít pro optoelektronická zařízení a 3C-SiC lze použít k přípravě epitaxních vrstev GaN a výrobě SiC-GaN RF zařízení kvůli svou strukturou podobnou GaN. 3C-SiC je také běžně označován jako β-SiC, který se používá hlavně pro tenké filmy a povlakové materiály. Proto je β-SiC v současnosti jedním z hlavních materiálů pro povlaky.

3.2.Povlak z karbidu křemíkuzpůsob přípravy

Existuje mnoho možností pro přípravu povlaků z karbidu křemíku, včetně metody gel-sol, metody nástřiku, metody nástřiku iontovým paprskem, metody chemické reakce v parách (CVR) a metody chemické depozice z plynné fáze (CVD). Mezi nimi je v současnosti hlavní technologií pro přípravu povlaků SiC metoda chemické depozice z plynné fáze (CVD). Tato metoda nanáší povlaky SiC na povrch substrátu prostřednictvím reakce v plynné fázi, která má výhody těsného spojení mezi povlakem a substrátem, zlepšuje odolnost proti oxidaci a ablační odolnost materiálu substrátu.

Metoda vysokoteplotního slinování umístěním grafitového substrátu do zalévacího prášku a jeho spékáním při vysoké teplotě pod inertní atmosférou nakonec vytvoří na povrchu substrátu povlak SiC, který se nazývá zalévací metoda. Ačkoli je tato metoda jednoduchá a povlak je pevně spojen se substrátem, rovnoměrnost povlaku ve směru tloušťky je špatná a jsou náchylné ke vzniku děr, což snižuje odolnost proti oxidaci.

✔  Metoda stříkánízahrnuje rozprašování kapalných surovin na povrch grafitového substrátu a následné tuhnutí surovin při specifické teplotě za vzniku povlaku. Ačkoli je tato metoda levná, povlak je slabě připojen k substrátu a povlak má špatnou rovnoměrnost, tenkou tloušťku a špatnou odolnost proti oxidaci a obvykle vyžaduje další úpravu.

✔  Technologie rozprašování iontovým paprskempoužívá pistoli s iontovým paprskem k rozprašování roztaveného nebo částečně roztaveného materiálu na povrch grafitového substrátu, který pak ztuhne a spojí se a vytvoří povlak. Ačkoli je operace jednoduchá a může vytvořit relativně hustý povlak z karbidu křemíku, povlak se snadno rozbije a má špatnou odolnost proti oxidaci. Obvykle se používá k přípravě vysoce kvalitních kompozitních povlaků SiC.

✔ Sol-gel metodaTento způsob zahrnuje přípravu jednotného a transparentního roztoku solu, jeho nanesení na povrch substrátu a následné sušení a slinování za vzniku povlaku. Přestože je operace jednoduchá a cena je nízká, připravený povlak má nízkou odolnost proti tepelným šokům a je náchylný k praskání, takže rozsah jeho použití je omezený.

✔ Technologie chemické reakce par (CVR): CVR používá Si a SiO2 prášek k vytváření SiO páry a vytváří SiC povlak chemickou reakcí na povrchu substrátu uhlíkového materiálu. Ačkoli lze připravit pevně spojený povlak, je vyžadována vyšší reakční teplota a náklady jsou vysoké.

✔  Chemická depozice z par (CVD): CVD je v současnosti nejpoužívanější technologií pro přípravu povlaků SiC a povlaky SiC vznikají reakcemi v plynné fázi na povrchu substrátu. Povlak připravený tímto způsobem je těsně spojen se substrátem, což zlepšuje odolnost substrátu vůči oxidaci a ablaci, ale vyžaduje dlouhou dobu depozice a reakční plyn může být toxický.

Obrázek 3. Diagram chemické depozice par

4. Konkurence na trhu aVetek Semiconductortechnologická inovace

Na trhu s grafitovými substráty s povlakem SiC zahraniční výrobci začali dříve, se zjevnými vedoucími výhodami a vyšším podílem na trhu. Mezinárodně jsou hlavními dodavateli Xycard v Nizozemsku, SGL v Německu, Toyo Tanso v Japonsku a MEMC ve Spojených státech, které v podstatě monopolizují mezinárodní trh. Čína však nyní prolomila základní technologii rovnoměrně rostoucích SiC povlaků na povrchu grafitových substrátů a její kvalitu ověřili domácí i zahraniční zákazníci. Zároveň má i určité konkurenční výhody v ceně, která může splnit požadavky zařízení MOCVD na použití grafitových substrátů potažených SiC. 

Vetek semiconductor se zabývá výzkumem a vývojem v oblastiSiC povlakyvíce než 20 let. Proto jsme spustili stejnou technologii vyrovnávací vrstvy jako SGL. Prostřednictvím speciální technologie zpracování lze mezi grafit a karbid křemíku přidat vyrovnávací vrstvu, aby se životnost zvýšila více než dvojnásobně.