Τι είναι ο επικαλυμμένος με SiC υποδοχέας γραφίτη;

Σχήμα 1. Επικαλυμμένος με SiC υποδοχέας γραφίτη

1. Επιταξιακό στρώμα και ο εξοπλισμός του

Κατά τη διαδικασία κατασκευής γκοφρέτας, πρέπει να χτίσουμε περαιτέρω ένα επιταξιακό στρώμα σε ορισμένα υποστρώματα γκοφρέτας για να διευκολύνουμε την κατασκευή συσκευών. Το Epitaxy αναφέρεται στη διαδικασία ανάπτυξης ενός νέου μονοκρυστάλλου σε ένα μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα που έχει υποστεί προσεκτική επεξεργασία με κοπή, λείανση και στίλβωση. Το νέο μονοκρύσταλλο μπορεί να είναι το ίδιο υλικό με το υπόστρωμα ή διαφορετικό υλικό (ομοεπιταξιακό ή ετεροεπιταξιακό). Εφόσον το νέο μονοκρυσταλλικό στρώμα αναπτύσσεται κατά μήκος της κρυσταλλικής φάσης του υποστρώματος, ονομάζεται επιταξιακό στρώμα και η κατασκευή της συσκευής πραγματοποιείται στο επιταξιακό στρώμα. 

Για παράδειγμα, αGaAs επιταξιακόΤο στρώμα προετοιμάζεται σε υπόστρωμα πυριτίου για συσκευές εκπομπής φωτός LED. έναSiC επιταξιακόΤο στρώμα αναπτύσσεται σε ένα αγώγιμο υπόστρωμα SiC για την κατασκευή SBD, MOSFET και άλλων συσκευών σε εφαρμογές ισχύος. ένα επιταξιακό στρώμα GaN κατασκευάζεται σε ένα ημιμονωτικό υπόστρωμα SiC για την περαιτέρω κατασκευή συσκευών όπως το HEMT σε εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων όπως οι επικοινωνίες. Παράμετροι όπως το πάχος των επιταξιακών υλικών SiC και η συγκέντρωση του φορέα υποβάθρου καθορίζουν άμεσα τις διάφορες ηλεκτρικές ιδιότητες των συσκευών SiC. Σε αυτή τη διαδικασία, δεν μπορούμε να κάνουμε χωρίς εξοπλισμό εναπόθεσης χημικών ατμών (CVD).

Εικόνα 2. Τρόποι ανάπτυξης επιταξιακού φιλμ

2. Σημασία του επικαλυμμένου με SiC υποδοχέα γραφίτη στον εξοπλισμό CVD

Στον εξοπλισμό CVD, δεν μπορούμε να τοποθετήσουμε το υπόστρωμα απευθείας πάνω στο μέταλλο ή απλά σε βάση για επιταξιακή εναπόθεση, γιατί περιλαμβάνει πολλούς παράγοντες όπως η κατεύθυνση ροής αερίου (οριζόντια, κατακόρυφη), η θερμοκρασία, η πίεση, η στερέωση και οι ρύποι. Ως εκ τούτου, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε έναν υποδοχέα (φορέας γκοφρέτας) για να τοποθετήσετε το υπόστρωμα σε ένα δίσκο και να χρησιμοποιήσετε την τεχνολογία CVD για να πραγματοποιήσετε επιταξιακή εναπόθεση σε αυτό. Αυτός ο υποδοχέας είναι ο επικαλυμμένος με SiC υποδοχέας γραφίτη (ονομάζεται επίσης δίσκος).

2.1 Εφαρμογή επικαλυμμένου με SiC υποδοχέα γραφίτη σε εξοπλισμό MOCVD

Ο επικαλυμμένος με SiC υποδοχέας γραφίτη παίζει βασικό ρόλο σεεξοπλισμός εναπόθεσης ατμών οργανικών χημικών μετάλλων (MOCVD).για στήριξη και θέρμανση μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων. Η θερμική σταθερότητα και η θερμική ομοιομορφία αυτού του υποδοχέα είναι ζωτικής σημασίας για την ποιότητα των επιταξιακών υλικών, επομένως θεωρείται ως απαραίτητο συστατικό πυρήνα στον εξοπλισμό MOCVD. Η τεχνολογία μεταλλικής οργανικής χημικής εναπόθεσης ατμών (MOCVD) χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως στην επιταξιακή ανάπτυξη λεπτών μεμβρανών GaN σε μπλε LED, επειδή έχει τα πλεονεκτήματα της απλής λειτουργίας, του ελεγχόμενου ρυθμού ανάπτυξης και της υψηλής καθαρότητας.

Ως ένα από τα βασικά συστατικά του εξοπλισμού MOCVD, η Vetek ημιαγωγός γραφίτης υποδοχέας είναι υπεύθυνος για τη στήριξη και τη θέρμανση μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων, γεγονός που επηρεάζει άμεσα την ομοιομορφία και την καθαρότητα των υλικών λεπτής μεμβράνης, και συνεπώς σχετίζεται με την ποιότητα παρασκευής των επιταξιακών πλακών. Καθώς ο αριθμός των χρήσεων αυξάνεται και το εργασιακό περιβάλλον αλλάζει, ο υποδοχέας γραφίτη είναι επιρρεπής στη φθορά και επομένως ταξινομείται ως αναλώσιμο.

2.2. Χαρακτηριστικά του επικαλυμμένου με SIC υποδοχέα γραφίτη

Για να ανταποκριθεί στις ανάγκες του εξοπλισμού MOCVD, η επικάλυψη που απαιτείται για τον υποδοχέα γραφίτη πρέπει να έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά για να πληροί τα ακόλουθα πρότυπα:

✔  Καλή κάλυψη: Η επίστρωση SiC πρέπει να καλύπτει πλήρως τον υποδοχέα και να έχει υψηλό βαθμό πυκνότητας για την αποφυγή ζημιών σε περιβάλλον διαβρωτικού αερίου.

✔  Υψηλή αντοχή συγκόλλησης: Η επίστρωση πρέπει να είναι σταθερά συνδεδεμένη με τον υποδοχέα και να μην είναι εύκολο να πέσει μετά από πολλαπλούς κύκλους υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας.

✔  Καλή χημική σταθερότητα: Η επίστρωση πρέπει να έχει καλή χημική σταθερότητα για την αποφυγή αστοχίας σε υψηλές θερμοκρασίες και διαβρωτικές ατμόσφαιρες.

2.3 Δυσκολίες και προκλήσεις στην αντιστοίχιση υλικών γραφίτη και καρβιδίου του πυριτίου

Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) αποδίδει καλά σε επιταξιακές ατμόσφαιρες GaN λόγω των πλεονεκτημάτων του, όπως η αντοχή στη διάβρωση, η υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η αντοχή σε θερμικό σοκ και η καλή χημική σταθερότητα. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι παρόμοιος με αυτόν του γραφίτη, καθιστώντας τον το προτιμώμενο υλικό για επικαλύψεις υποδοχέα γραφίτη.

Ωστόσο, τελικά,γραφίτηςκαικαρβίδιο του πυριτίουείναι δύο διαφορετικά υλικά και θα εξακολουθήσουν να υπάρχουν περιπτώσεις όπου η επίστρωση έχει μικρή διάρκεια ζωής, είναι εύκολο να πέσει και αυξάνει το κόστος λόγω διαφορετικών συντελεστών θερμικής διαστολής. 

3. Τεχνολογία επίστρωσης SiC

3.1. Κοινοί τύποι SiC

Προς το παρόν, οι κοινοί τύποι SiC περιλαμβάνουν τα 3C, 4H και 6H και διαφορετικοί τύποι SiC είναι κατάλληλοι για διαφορετικούς σκοπούς. Για παράδειγμα, το 4H-SiC είναι κατάλληλο για την κατασκευή συσκευών υψηλής ισχύος, το 6H-SiC είναι σχετικά σταθερό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οπτοηλεκτρονικές συσκευές και το 3C-SiC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προετοιμασία επιταξιακών στρωμάτων GaN και την κατασκευή συσκευών SiC-GaN RF λόγω παρόμοια δομή με το GaN. Το 3C-SiC αναφέρεται επίσης ως β-SiC, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως για λεπτές μεμβράνες και υλικά επικάλυψης. Επομένως, το β-SiC είναι σήμερα ένα από τα κύρια υλικά για επικαλύψεις.

3.2 .Επικάλυψη καρβιδίου του πυριτίουμέθοδος παρασκευής

Υπάρχουν πολλές επιλογές για την παρασκευή επικαλύψεων καρβιδίου του πυριτίου, συμπεριλαμβανομένης της μεθόδου gel-sol, της μεθόδου ψεκασμού, της μεθόδου ψεκασμού δέσμης ιόντων, της μεθόδου χημικής αντίδρασης ατμών (CVR) και της μεθόδου χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD). Μεταξύ αυτών, η μέθοδος χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) είναι αυτή τη στιγμή η κύρια τεχνολογία για την παρασκευή επικαλύψεων SiC. Αυτή η μέθοδος εναποθέτει επικαλύψεις SiC στην επιφάνεια του υποστρώματος μέσω αντίδρασης αέριας φάσης, η οποία έχει τα πλεονεκτήματα της στενής σύνδεσης μεταξύ της επικάλυψης και του υποστρώματος, βελτιώνοντας την αντίσταση στην οξείδωση και την αντίσταση κατάλυσης του υλικού υποστρώματος.

Η μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλή θερμοκρασία, τοποθετώντας το υπόστρωμα γραφίτη στη σκόνη ενσωμάτωσης και συντήκοντάς το σε υψηλή θερμοκρασία κάτω από αδρανή ατμόσφαιρα, σχηματίζει τελικά μια επίστρωση SiC στην επιφάνεια του υποστρώματος, η οποία ονομάζεται μέθοδος ενσωμάτωσης. Αν και αυτή η μέθοδος είναι απλή και η επίστρωση είναι στενά συνδεδεμένη με το υπόστρωμα, η ομοιομορφία της επίστρωσης στην κατεύθυνση του πάχους είναι κακή και είναι επιρρεπείς να εμφανιστούν τρύπες, γεγονός που μειώνει την αντίσταση στην οξείδωση.

✔  Η μέθοδος ψεκασμούπεριλαμβάνει τον ψεκασμό υγρών πρώτων υλών στην επιφάνεια του υποστρώματος γραφίτη και στη συνέχεια τη στερεοποίηση των πρώτων υλών σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για να σχηματιστεί μια επικάλυψη. Αν και αυτή η μέθοδος είναι χαμηλού κόστους, η επίστρωση είναι ασθενώς συνδεδεμένη με το υπόστρωμα και η επίστρωση έχει κακή ομοιομορφία, λεπτό πάχος και χαμηλή αντοχή στην οξείδωση και συνήθως απαιτεί πρόσθετη επεξεργασία.

✔  Τεχνολογία ψεκασμού ακτίνων ιόντωνχρησιμοποιεί ένα πιστόλι δέσμης ιόντων για να ψεκάσει λιωμένο ή μερικώς λιωμένο υλικό στην επιφάνεια ενός υποστρώματος γραφίτη, το οποίο στη συνέχεια στερεοποιείται και δεσμεύεται για να σχηματίσει μια επικάλυψη. Αν και η λειτουργία είναι απλή και μπορεί να δημιουργήσει μια σχετικά πυκνή επίστρωση καρβιδίου του πυριτίου, η επίστρωση σπάει εύκολα και έχει χαμηλή αντοχή στην οξείδωση. Συνήθως χρησιμοποιείται για την παρασκευή σύνθετων επικαλύψεων SiC υψηλής ποιότητας.

✔ Μέθοδος Sol-gel, αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την παρασκευή ενός ομοιόμορφου και διαφανούς διαλύματος κολλοειδούς διαλύματος, την εφαρμογή του στην επιφάνεια του υποστρώματος και στη συνέχεια ξήρανση και πυροσυσσωμάτωση για να σχηματιστεί μια επικάλυψη. Αν και η λειτουργία είναι απλή και το κόστος χαμηλό, η προετοιμασμένη επίστρωση έχει χαμηλή αντοχή σε θερμικό σοκ και είναι επιρρεπής σε ρωγμές, επομένως το εύρος εφαρμογής της είναι περιορισμένο.

✔ Τεχνολογία χημικής αντίδρασης ατμού (CVR): Το CVR χρησιμοποιεί σκόνη Si και SiO2 για τη δημιουργία ατμού SiO και σχηματίζει μια επικάλυψη SiC με χημική αντίδραση στην επιφάνεια του υποστρώματος του υλικού άνθρακα. Αν και μπορεί να παρασκευαστεί μια στενά συνδεδεμένη επίστρωση, απαιτείται υψηλότερη θερμοκρασία αντίδρασης και το κόστος είναι υψηλό.

✔  Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD): Η CVD είναι σήμερα η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία για την παρασκευή επικαλύψεων SiC και οι επικαλύψεις SiC σχηματίζονται από αντιδράσεις αέριας φάσης στην επιφάνεια του υποστρώματος. Η επίστρωση που παρασκευάζεται με αυτή τη μέθοδο συνδέεται στενά με το υπόστρωμα, γεγονός που βελτιώνει την αντίσταση στην οξείδωση και την αντίσταση στην αφαίρεση του υποστρώματος, αλλά απαιτεί μεγάλο χρόνο εναπόθεσης και το αέριο της αντίδρασης μπορεί να είναι τοξικό.

Εικόνα 3. Διάγραμμα εναπόθεσης χημικών ατμών

4. Ανταγωνισμός της αγοράς καιVetek Semiconductorτης τεχνολογικής καινοτομίας

Στην αγορά υποστρωμάτων γραφίτη με επίστρωση SiC, οι ξένοι κατασκευαστές ξεκίνησαν νωρίτερα, με προφανή ηγετικά πλεονεκτήματα και υψηλότερο μερίδιο αγοράς. Διεθνώς, η Xycard στην Ολλανδία, η SGL στη Γερμανία, η Toyo Tanso στην Ιαπωνία και η MEMC στις Ηνωμένες Πολιτείες είναι κύριοι προμηθευτές και βασικά μονοπωλούν τη διεθνή αγορά. Ωστόσο, η Κίνα έχει πλέον ξεπεράσει την βασική τεχνολογία των ομοιόμορφων αυξανόμενων επικαλύψεων SiC στην επιφάνεια των υποστρωμάτων γραφίτη και η ποιότητά του έχει επαληθευτεί από εγχώριους και ξένους πελάτες. Ταυτόχρονα, έχει επίσης ορισμένα ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα στην τιμή, τα οποία μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις του εξοπλισμού MOCVD για τη χρήση υποστρωμάτων γραφίτη με επίστρωση SiC. 

Η Vetek semiconductor έχει ασχοληθεί με την έρευνα και την ανάπτυξη στον τομέα τουΕπιστρώσεις SiCγια περισσότερα από 20 χρόνια. Ως εκ τούτου, έχουμε κυκλοφορήσει την ίδια τεχνολογία στρώματος προσωρινής αποθήκευσης με το SGL. Μέσω ειδικής τεχνολογίας επεξεργασίας, μπορεί να προστεθεί ένα ρυθμιστικό στρώμα μεταξύ γραφίτη και καρβιδίου του πυριτίου για να αυξήσει τη διάρκεια ζωής κατά περισσότερο από δύο φορές.