Mis on SiC-ga kaetud grafiidisustseptor?

Joonis 1.SiC-ga kaetud grafiidisusseptor

1. Epitaksiaalkiht ja selle varustus

Vahvlite tootmisprotsessi käigus peame seadmete valmistamise hõlbustamiseks mõnele vahvlialusele täiendavalt ehitama epitaksiaalse kihi. Epitaksia viitab uue monokristalli kasvatamise protsessile monokristallsubstraadil, mida on hoolikalt töödeldud lõikamise, lihvimise ja poleerimisega. Uus monokristall võib olla samast materjalist kui substraat või muust materjalist (homoepitaksiaalne või heteroepitaksiaalne). Kuna uus monokristallikiht kasvab piki substraadi kristallifaasi, nimetatakse seda epitaksiaalseks kihiks ja seadme tootmine toimub epitaksiaalsel kihil. 

Näiteks aGaAs epitaksiaalnekiht valmistatakse ette ränisubstraadile LED valgust kiirgavate seadmete jaoks; aSiC epitaksiaalnekiht on kasvatatud juhtival SiC substraadil SBD, MOSFET ja muude seadmete ehitamiseks energiarakendustes; GaN-i epitaksiaalkiht on ehitatud poolisoleerivale SiC-substraadile, et toota edasi selliseid seadmeid nagu HEMT raadiosageduslikes rakendustes, nagu side. Sellised parameetrid nagu SiC epitaksiaalsete materjalide paksus ja taustkandja kontsentratsioon määravad otseselt ränikarbiidi seadmete erinevad elektrilised omadused. Selles protsessis ei saa me hakkama ilma keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) seadmeteta.

Joonis 2. Epitaksiaalse kile kasvurežiimid

2. SiC-ga kaetud grafiidisusseptori tähtsus CVD-seadmetes

CVD-seadmetes ei saa me substraati asetada otse metallile või lihtsalt epitaksiaalseks sadestamiseks alusele, kuna see hõlmab paljusid tegureid, nagu gaasivoolu suund (horisontaalne, vertikaalne), temperatuur, rõhk, fikseerimine ja saasteained. Seetõttu peame kasutama sustseptorit (vahvlikandja), et asetada substraat alusele ja kasutada CVD-tehnoloogiat, et teostada sellele epitaksiaalne sadestamine. See sustseptor on SiC-ga kaetud grafiidisustseptor (nimetatakse ka kandikuks).

2.1 SiC-ga kaetud grafiidisusseptori kasutamine MOCVD-seadmetes

SiC-kattega grafiidisusseptor mängib võtmerollimetalli orgaanilise keemilise aurustamise-sadestamise (MOCVD) seadmedmonokristall-substraatide toetamiseks ja soojendamiseks. Selle sustseptori termiline stabiilsus ja termiline ühtlus on epitaksiaalsete materjalide kvaliteedi jaoks üliolulised, mistõttu peetakse seda MOCVD seadmete asendamatuks põhikomponendiks. Metallist orgaanilise keemilise aurustamise-sadestamise (MOCVD) tehnoloogiat kasutatakse praegu laialdaselt GaN õhukeste kilede epitaksiaalseks kasvatamiseks sinistes LED-des, kuna selle eelised on lihtne töö, kontrollitav kasvukiirus ja kõrge puhtus.

MOCVD-seadmete ühe põhikomponendina vastutab Veteki pooljuhtgrafiidisusseptor monokristall-substraatide toetamise ja kuumutamise eest, mis mõjutab otseselt õhukese kilematerjalide ühtlust ja puhtust ning on seega seotud epitaksiaalsete vahvlite valmistamise kvaliteediga. Kasutamiste arvu suurenedes ja töökeskkonna muutudes on grafiidisustseptor kalduvus kulumisele ja seetõttu liigitatakse see kulumaterjaliks.

2.2. SIC-kattega grafiidisustseptori omadused

MOCVD-seadmete vajaduste rahuldamiseks peavad grafiit-sustseptori jaoks vajalikul katmisel olema spetsiifilised omadused, mis vastavad järgmistele standarditele:

✔  Hea katvus: SiC kate peab täielikult katma sustseptori ja olema suure tihedusega, et vältida kahjustusi söövitava gaasi keskkonnas.

✔  Kõrge nakkuvustugevus: Kate peab olema susseptoriga tugevalt seotud ja pärast mitut kõrge ja madala temperatuuri tsüklit ei tohiks see kergesti maha kukkuda.

✔  Hea keemiline stabiilsus: Kattel peab olema hea keemiline stabiilsus, et vältida rikkeid kõrgel temperatuuril ja söövitavas keskkonnas.

2.3 Raskused ja väljakutsed grafiidi ja ränikarbiidi materjalide sobitamisel

Ränikarbiid (SiC) toimib hästi GaN epitaksiaalses atmosfääris tänu oma eelistele, nagu korrosioonikindlus, kõrge soojusjuhtivus, soojuslöögikindlus ja hea keemiline stabiilsus. Selle soojuspaisumise koefitsient on sarnane grafiidi omaga, mistõttu on see eelistatud materjal grafiidi sustseptori katete jaoks.

Siiski, lõppude lõpuksgrafiitjaränikarbiidon kaks erinevat materjali ja ikka tuleb ette olukordi, kus katte kasutusiga on lühike, see pudeneb kergesti maha ja suurendab erinevate soojuspaisumistegurite tõttu kulusid. 

3. SiC katte tehnoloogia

3.1. Levinud SiC tüübid

Praegu on levinud ränikarbiidi tüübid 3C, 4H ja 6H ning erinevat tüüpi ränikarbid sobivad erinevatel eesmärkidel. Näiteks 4H-SiC sobib suure võimsusega seadmete valmistamiseks, 6H-SiC on suhteliselt stabiilne ja seda saab kasutada optoelektrooniliste seadmete jaoks ning 3C-SiC saab kasutada GaN epitaksiaalsete kihtide ettevalmistamiseks ja SiC-GaN RF-seadmete valmistamiseks, kuna selle struktuur sarnaneb GaN-iga. 3C-SiC nimetatakse tavaliselt ka β-SiC-ks, mida kasutatakse peamiselt õhukeste kilede ja kattematerjalide jaoks. Seetõttu on β-SiC praegu üks peamisi kattematerjale.

3.2.Ränikarbiidkatevalmistamismeetod

Ränikarbiidkatete valmistamiseks on palju võimalusi, sealhulgas geel-sool meetod, pihustusmeetod, ioonkiirega pihustamise meetod, keemilise aurreaktsiooni meetod (CVR) ja keemilise aurustamise meetod (CVD). Nende hulgas on praegu ränikarbiidi katete valmistamise peamine tehnoloogia keemiline aurustamise meetod (CVD). Selle meetodi abil kantakse SiC katted põhimiku pinnale läbi gaasifaasi reaktsiooni, mille eeliseks on tihe side katte ja aluspinna vahel, parandades alusmaterjali oksüdatsioonikindlust ja ablatsioonikindlust.

Kõrgtemperatuuriline paagutamismeetod, asetades grafiidist substraadi sisestuspulbrisse ja paagutades selle kõrgel temperatuuril inertses atmosfääris, moodustab lõpuks aluspinna pinnale SiC katte, mida nimetatakse kinnistamismeetodiks. Kuigi see meetod on lihtne ja kate on aluspinnaga tihedalt seotud, on katte ühtlus paksuse suunas halb ja kipuvad tekkima augud, mis vähendab oksüdatsioonikindlust.

✔  Pihustamismeetodhõlmab vedelate toorainete pihustamist grafiidist substraadi pinnale ja seejärel toormaterjalide tahkestumist kindlal temperatuuril katte moodustamiseks. Kuigi see meetod on odav, on kattekiht aluspinnaga nõrgalt seotud ning katte ühtlus, õhuke paksus ja oksüdatsioonikindlus on halb ning see nõuab tavaliselt täiendavat töötlemist.

✔  Ioonkiirpihustustehnoloogiakasutab ioonkiirpüstolit, et pihustada sula või osaliselt sulanud materjali grafiidist substraadi pinnale, mis seejärel tahkub ja seob kattekihi. Kuigi toiming on lihtne ja võib tekitada suhteliselt tiheda ränikarbiidkatte, on katet kerge murda ja sellel on halb oksüdatsioonikindlus. Tavaliselt kasutatakse seda kvaliteetsete SiC komposiitkatete valmistamiseks.

✔ Sol-geel meetod, hõlmab see meetod ühtlase ja läbipaistva soollahuse valmistamist, selle kandmist aluspinna pinnale ning seejärel kuivatamist ja paagutamist katte moodustamiseks. Kuigi toiming on lihtne ja maksumus madal, on ettevalmistatud kattel madal termilise šoki vastupidavus ja see on altid pragunemisele, mistõttu selle kasutusala on piiratud.

✔ Keemilise aurureaktsiooni tehnoloogia (CVR): CVR kasutab SiO auru tekitamiseks Si ja SiO2 pulbrit ning moodustab süsinikmaterjali substraadi pinnale keemilise reaktsiooni teel SiC katte. Kuigi saab valmistada tihedalt seotud kattekihti, on vaja kõrgemat reaktsioonitemperatuuri ja hind on kõrge.

✔  Keemiline aurustamine-sadestamine (CVD): CVD on praegu kõige laialdasemalt kasutatav tehnoloogia SiC katete valmistamiseks ja SiC katted tekivad gaasifaasi reaktsioonide käigus substraadi pinnal. Selle meetodiga valmistatud kate on tihedalt seotud aluspinnaga, mis parandab aluspinna oksüdatsioonikindlust ja ablatsioonikindlust, kuid nõuab pikka sadestusaega ja reaktsioonigaas võib olla mürgine.

Joonis 3. Keemilise aurustamise skeem

4. Turukonkurents jaVetek pooljuhttehnoloogiline uuendus

SiC-kattega grafiidist substraadi turul alustasid välismaised tootjad varem, omades ilmseid juhtivaid eeliseid ja suuremat turuosa. Rahvusvaheliselt on Xycard Hollandis, SGL Saksamaal, Toyo Tanso Jaapanis ja MEMC Ameerika Ühendriikides peamised tarnijad ning põhimõtteliselt monopoliseerivad nad rahvusvahelist turgu. Hiina on aga nüüdseks läbi murdnud grafiidist substraatide pinnal ühtlaselt kasvavate ränikarbiidi katete põhitehnoloogia ning selle kvaliteeti on kontrollinud nii kodumaised kui ka välismaised kliendid. Samal ajal on sellel ka teatud konkurentsieelised hinnas, mis vastavad MOCVD-seadmete nõuetele ränidioksiidiga kaetud grafiidist substraatide kasutamiseks. 

Vetek pooljuht on tegelenud uurimis- ja arendustegevusegaSiC kattedrohkem kui 20 aastat. Seetõttu oleme käivitanud sama puhverkihi tehnoloogia nagu SGL. Spetsiaalse töötlemistehnoloogia abil saab grafiidi ja ränikarbiidi vahele lisada puhverkihi, et pikendada kasutusiga rohkem kui kaks korda.