Hva er SiC-belagt grafittsusceptor?

Figur 1. SiC-belagt grafittsusceptor

1. Epitaksialt lag og dets utstyr

Under produksjonsprosessen for wafer, må vi bygge et epitaksielt lag på noen wafer-substrater for å lette produksjonen av enheter. Epitaksi refererer til prosessen med å dyrke en ny enkeltkrystall på et enkeltkrystallsubstrat som har blitt nøye behandlet ved kutting, sliping og polering. Den nye enkeltkrystallen kan være det samme materialet som underlaget, eller et annet materiale (homoepitaksialt eller heteroepitaksielt). Siden det nye enkeltkrystalllaget vokser langs substratkrystallfasen, kalles det et epitaksielt lag, og produksjonen av enheten utføres på det epitaksiale laget. 

For eksempel, enGaAs epitaksiallaget er forberedt på et silisiumsubstrat for LED-lysemitterende enheter; enSiC epitaksiallaget dyrkes på et ledende SiC-substrat for konstruksjon av SBD, MOSFET og andre enheter i strømapplikasjoner; et GaN epitaksielt lag er konstruert på et semi-isolerende SiC-substrat for å produsere enheter som HEMT i radiofrekvensapplikasjoner som kommunikasjon. Parametre som tykkelsen på SiC epitaksiale materialer og bakgrunnsbærerkonsentrasjon bestemmer direkte de forskjellige elektriske egenskapene til SiC-enheter. I denne prosessen kan vi ikke klare oss uten utstyr for kjemisk dampavsetning (CVD).

Figur 2. Epitaksial filmvekstmoduser

2. Viktigheten av SiC-belagt grafittsusceptor i CVD-utstyr

I CVD-utstyr kan vi ikke plassere substratet direkte på metallet eller bare på et underlag for epitaksial avsetning, fordi det involverer mange faktorer som gassstrømretning (horisontal, vertikal), temperatur, trykk, fiksering og forurensninger. Derfor må vi bruke en susceptor(oblatbærer) for å plassere substratet på et brett og bruke CVD-teknologi for å utføre epitaksial avsetning på det. Denne susceptoren er den SiC-belagte grafittsusceptoren (også kalt et brett).

2.1 Påføring av SiC-belagt grafittsusceptor i MOCVD-utstyr

Den SiC-belagte grafittsusceptoren spiller en nøkkelrolle imetall organisk kjemisk dampavsetning (MOCVD) utstyrfor å støtte og varme enkeltkrystallsubstrater. Den termiske stabiliteten og den termiske ensartetheten til denne susceptoren er avgjørende for kvaliteten på epitaksiale materialer, så den blir sett på som en uunnværlig kjernekomponent i MOCVD-utstyr. Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) teknologi er for tiden mye brukt i epitaksial vekst av GaN tynne filmer i blå lysdioder fordi den har fordelene med enkel betjening, kontrollerbar veksthastighet og høy renhet.

Som en av kjernekomponentene i MOCVD-utstyr, er Vetek semiconductor graphite susceptor ansvarlig for å støtte og varme enkeltkrystallsubstrater, som direkte påvirker jevnheten og renheten til tynnfilmmaterialer, og dermed er relatert til fremstillingskvaliteten til epitaksiale wafere. Etter hvert som antall bruksområder øker og arbeidsmiljøet endres, er grafittmottakeren utsatt for slitasje og er derfor klassifisert som forbruksmateriell.

2.2. Egenskaper til SIC-belagt grafittsusceptor

For å møte behovene til MOCVD-utstyr, må belegget som kreves for grafittsusceptoren ha spesifikke egenskaper for å oppfylle følgende standarder:

✔  God dekning: SiC-belegget må dekke susceptoren fullstendig og ha en høy tetthetsgrad for å forhindre skade i et korrosivt gassmiljø.

✔  Høy bindestyrke: Belegget skal være godt festet til susceptoren og ikke lett å falle av etter flere høytemperatur- og lavtemperatursykluser.

✔  God kjemisk stabilitet: Belegget må ha god kjemisk stabilitet for å unngå svikt i høy temperatur og korrosive atmosfærer.

2.3 Vanskeligheter og utfordringer med å matche grafitt- og silisiumkarbidmaterialer

Silisiumkarbid (SiC) fungerer godt i GaN epitaksiale atmosfærer på grunn av sine fordeler som korrosjonsbestandighet, høy varmeledningsevne, termisk sjokkbestandighet og god kjemisk stabilitet. Dens termiske ekspansjonskoeffisient er lik den for grafitt, noe som gjør den til det foretrukne materialet for grafittsusceptorbelegg.

Men tross alt,grafittogsilisiumkarbider to forskjellige materialer, og det vil fortsatt være situasjoner hvor belegget har kort levetid, er lett å falle av og øker kostnadene på grunn av ulike termiske ekspansjonskoeffisienter. 

3. SiC Coating-teknologi

3.1. Vanlige typer SiC

For tiden inkluderer vanlige typer SiC 3C, 4H og 6H, og forskjellige typer SiC er egnet for forskjellige formål. For eksempel er 4H-SiC egnet for produksjon av enheter med høy effekt, 6H-SiC er relativt stabil og kan brukes til optoelektroniske enheter, og 3C-SiC kan brukes til å klargjøre GaN epitaksiale lag og produsere SiC-GaN RF enheter pga. dens lignende struktur som GaN. 3C-SiC er også ofte referert til som β-SiC, som hovedsakelig brukes til tynne filmer og beleggmaterialer. Derfor er β-SiC for tiden et av hovedmaterialene for belegg.

3.2.Silisiumkarbidbeleggtilberedningsmetode

Det er mange alternativer for fremstilling av silisiumkarbidbelegg, inkludert gel-sol-metode, sprøytemetode, ionestråle-sprøytemetode, kjemisk dampreaksjonsmetode (CVR) og kjemisk dampavsetningsmetode (CVD). Blant dem er kjemisk dampavsetningsmetode (CVD) for tiden hovedteknologien for fremstilling av SiC-belegg. Denne metoden avsetter SiC-belegg på overflaten av substratet gjennom gassfasereaksjon, som har fordelene med tett binding mellom belegget og substratet, og forbedrer oksidasjonsmotstanden og ablasjonsmotstanden til substratmaterialet.

Høytemperatursintringsmetoden, ved å plassere grafittsubstratet i innstøpingspulveret og sintre det ved høy temperatur under en inert atmosfære, danner til slutt et SiC-belegg på overflaten av underlaget, som kalles innstøpingsmetoden. Selv om denne metoden er enkel og belegget er tett bundet til underlaget, er jevnheten til belegget i tykkelsesretningen dårlig, og hull er tilbøyelige til å oppstå, noe som reduserer oksidasjonsmotstanden.

✔  Sprøytemetodeninnebærer å sprøyte flytende råmaterialer på overflaten av grafittsubstratet, og deretter størkne råvarene ved en bestemt temperatur for å danne et belegg. Selv om denne metoden er rimelig, er belegget svakt bundet til underlaget, og belegget har dårlig jevnhet, tynn tykkelse og dårlig oksidasjonsmotstand, og krever vanligvis ytterligere behandling.

✔  Ionestrålesprøyteteknologibruker en ionestrålepistol til å spraye smeltet eller delvis smeltet materiale på overflaten av et grafittsubstrat, som deretter størkner og binder seg til et belegg. Selv om operasjonen er enkel og kan gi et relativt tett silisiumkarbidbelegg, er belegget lett å bryte og har dårlig oksidasjonsmotstand. Det brukes vanligvis til å fremstille høykvalitets SiC-komposittbelegg.

✔ Sol-gel metode, innebærer denne metoden å forberede en jevn og gjennomsiktig solløsning, påføre den på overflaten av substratet, og deretter tørke og sintring for å danne et belegg. Selv om operasjonen er enkel og kostnaden er lav, har det forberedte belegget lav termisk støtmotstand og er utsatt for sprekker, så bruksområdet er begrenset.

✔ Kjemisk dampreaksjonsteknologi (CVR): CVR bruker Si- og SiO2-pulver til å generere SiO-damp, og danner et SiC-belegg ved kjemisk reaksjon på overflaten av karbonmaterialsubstratet. Selv om et tett bundet belegg kan fremstilles, kreves det en høyere reaksjonstemperatur og kostnadene er høye.

✔  Kjemisk dampavsetning (CVD): CVD er for tiden den mest brukte teknologien for fremstilling av SiC-belegg, og SiC-belegg dannes ved gassfasereaksjoner på overflaten av substratet. Belegget fremstilt ved denne metoden er tett bundet til substratet, noe som forbedrer substratets oksidasjonsmotstand og ablasjonsmotstand, men krever lang avsetningstid, og reaksjonsgassen kan være giftig.

Figur 3. Kjemisk dampavsetningsdiagram

4. Markedskonkurranse ogVetek Semiconductorsin teknologiske innovasjon

I markedet for SiC-belagt grafittsubstrat startet utenlandske produsenter tidligere, med åpenbare ledende fordeler og en høyere markedsandel. Internasjonalt er Xycard i Nederland, SGL i Tyskland, Toyo Tanso i Japan og MEMC i USA mainstream-leverandører, og de monopoliserer i utgangspunktet det internasjonale markedet. Imidlertid har Kina nå brutt gjennom kjerneteknologien for jevnt voksende SiC-belegg på overflaten av grafittsubstrater, og kvaliteten er verifisert av innenlandske og utenlandske kunder. Samtidig har den også visse konkurransefortrinn i pris, som kan oppfylle kravene til MOCVD-utstyr for bruk av SiC-belagte grafittsubstrater. 

Vetek semiconductor har vært engasjert i forskning og utvikling innen feltetSiC-beleggi mer enn 20 år. Derfor har vi lansert samme bufferlagteknologi som SGL. Gjennom spesiell prosesseringsteknologi kan et bufferlag legges mellom grafitt og silisiumkarbid for å øke levetiden med mer enn to ganger.