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      半導體零部件——SiC涂層石墨基座

      發布時間:2023-05-10發布人:瀏覽:
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      SiC涂層石墨基座常用于金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備中支撐和加熱單晶襯底的部件。SiC涂層石墨基座的熱穩定性、熱均勻性等性能參數對外延材料生長的質量起到決定性作用,因此是MOCVD設備的核心關鍵部件。

      關鍵詞:

      在晶圓制造過程中,一些晶圓襯底上要進一步構建外延層以便于制造器件,典型的有LED發光器件,需要在硅襯底上面制備GaAs的外延層;在導電型的SiC襯底上面生長SiC外延層用于構建諸如SBD、MOSFET等的器件,用于高壓、大電流等功率應用;在半絕緣型的SiC襯底上面構建GaN外延層,進一步構造HEMT等器件,用于通信等射頻應用。這個這個過程中離不開CVD設備。

      在CVD設備中,襯底是不能直接放在金屬或者簡單的放置在某個底座上面進行外延沉積,因為其中涉及到氣體流向(水平、垂直)、溫度、壓力、固定、脫落污染物等各方面的影響因素。因此需要用到一個基座,然后將襯底放置在盤上,然后再利用CVD技術在襯底上面進行外延沉積,這個基座就是SiC涂層石墨基座(又可以叫做托盤)。

      石墨基座.png

      SiC涂層石墨基座常用于金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備中支撐和加熱單晶襯底的部件。SiC涂層石墨基座的熱穩定性、熱均勻性等性能參數對外延材料生長的質量起到決定性作用,因此是MOCVD設備的核心關鍵部件。

      金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術是目前進行藍光LED中GaN薄膜外延生長的主流技術,具有操作簡單、生長速率可控、生長出的GaN薄膜純度高等優點。用于GaN薄膜外延生長的承載基座,作為MOCVD設備反應腔內重要部件,需要有耐高溫、熱傳導率均勻、化學穩定性良好、較強的抗熱震性等優點,石墨材料能滿足上述條件。

      SiC涂層石墨盤.png

      石墨基座作為MOCVD設備中的核心零部件之一,是襯底基片的承載體和發熱體,直接決定薄膜材料的均勻性和純度,因此它的品質直接影響了外延片的制備,同時隨著使用次數增加、工況環節變化,又極容易損耗,屬于耗材。

      雖然石墨具有優異的熱導率和穩定性使其作為MOCVD設備的基座部件有很好的優勢,但在生產過程中石墨會因為腐蝕性氣體和金屬有機物的殘留,使其發生腐蝕掉粉,石墨基座的使用壽命會大打折扣。與此同時,掉落的石墨粉體會對芯片造成污染。

      涂層技術的出現能夠提供表面粉體固定、增強熱導率、均衡熱分布,成為了解決該問題的主要技術。石墨基座在MOCVD設備中使用環境,石墨基座表面涂層應滿足如下特點:

      (1)能夠對石墨基座進行全面包裹,并且致密性好,否則石墨基座在腐蝕氣體中容易被腐蝕。

      (2)與石墨基座結合強度高,保證在經歷多次高溫低溫循環后,涂層不易脫落。

      (3)具有較好的化學穩定性,避免涂層在高溫且具有腐蝕性的氣氛中失效。

      SiC具有耐腐蝕高熱導率、抗熱沖擊、高的化學穩定性等優點,能很好地在GaN外延氣氛中工作。除此之外,SiC的熱膨脹系數與石墨的熱膨脹系數相差很小,因此SiC是作為石墨基座表面涂層的首選材料。

      目前常見的SiC主要是3C、4H以及6H型,不同晶型的SiC用途不同。如4H-SiC可制造大功率器件;6H-SiC最穩定,可制造光電器件;3C-SiC因其結構與GaN相似,可用于生產GaN外延層,制造SiC-GaN射頻器件。3C-SiC也通常被稱為β-SiC,β-SiC的一個重要用途就是用作薄膜和涂層材料,因此,目前β-SiC是作涂層的主要的材料。


      碳化硅涂層制備方法

      目前,SiC涂層的制備方法主要有凝膠-溶膠法、包埋法、刷涂法、等離子噴涂法、化學氣相反應法(CVR)和化學氣相沉積法(CVD)。

      包埋法:

      該方法是高溫固相燒結的一種,主要是以Si粉和C粉混合作為包埋粉,將石墨基體置于包埋粉中,在惰性氣體中進行高溫燒結,最終在石墨基體表面得到SiC涂層。該法工藝簡單,且涂層與基體之間結合比較好,但沿著厚度方向涂層均勻性較差,易產生較多孔洞導致抗氧化性較差。

      刷涂法:

      刷涂法主要是將液態原料涂刷在石墨基體表面,然后在一定的溫度下原料固化,制備出涂層。該法工藝簡單而且成本較低,但是刷涂法制備出的涂層與基體的結合較弱,涂層均勻性較差,涂層較薄且抗氧化性較低,需要其他方法進行輔助。

      等離子噴涂法:

      等離子噴涂法主要是等離子槍將熔化或者半融化狀態的原料噴射在石墨基體表面,然后凝固粘結形成涂層。該方法操作簡單,可以制備出較為致密的碳化硅涂層,但該方法所制備的碳化硅涂層往往因為過于薄弱而導致抗氧化性不強,因此一般用于SiC復合涂層的制備以提高涂層的質量。

      凝膠-溶膠法:

      凝膠-溶膠法主要是制備出均勻透明的溶膠溶液覆蓋在基體表面,干燥成凝膠后進行燒結得到涂層。該法操作簡單、成本較低,但制備出的涂層存在抗熱震性較低、容易開裂等缺點,無法廣泛使用。

      化學氣相反應法(CVR):

      CVR主要是通過利用Si和SiO2粉在高溫下生成SiO蒸汽,在C材料基體表面發生一系列化學反應,從而生成SiC涂層。該法制備出的SiC涂層與基體之間結合較為緊密,但是反應溫度較高,成本也較高。

      化學氣相沉積法(CVD):

      CVD是目前制備基體表面SiC涂層的主要技術,主要過程是氣相反應物原料在基體表面發生一系列的物理化學反應,最后在基體表面沉積制備得到SiC涂層。CVD技術制備的SiC涂層與基體表面結合緊密,能有效提高基體材料的抗氧化性以及抗燒蝕性,但該法沉積時間較長,反應氣體存在一定的毒氣。


      SiC涂層石墨基座的市場情況

      國外廠商起步較早時,領先優勢明顯,市場占有率高。國際上,SiC涂層石墨基座主流供應商有荷蘭Xycard、德國西格里碳素(SGL)、日本東洋碳素、美國MEMC等企業,基本占據了國際市場。盡管我國已突破石墨基體表面均勻生長SiC涂層的關鍵核心技術,但高質量的石墨基體依然依賴德國SGL、日本東洋碳素等企業,國內企業提供的石墨基體由于熱導率、彈性模量、剛性模量、晶格缺陷等質量問題影響使用壽命,尚不能滿足MOCVD設備對SiC涂層石墨基座的使用要求。

      我國半導體產業發展迅速,隨著MOCVD外延設備國產化率逐步提高,及其他工藝應用擴展,未來SiC涂層石墨基座產品市場有望快速增長。據業內人士初步估計,國內石墨基座未來幾年市場將超過 5億元。

      SiC涂層石墨基座作為化合物半導體產業化設備的核心部件,掌握其生產制造的關鍵核心技術,實現原材料—工藝—設備全產業鏈國產化,對于保障我國半導體產業發展具有重要戰略意義。國產SiC涂層石墨基座領域方興未艾,產品質量達到國際先進水平指日可待。

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