Susceptor de grafito recubierto de SiC: una guía completa
Por Lucy Zhang (Ventas) @ semicera semiconductor technology co., ltd.
El sustrato de grafito recubierto de SiC es un componente semiconductor que se utiliza para soportar y calentar sustratos monocristalinos en equipos MOCVD (deposición química de vapor orgánico metálico). Como sugiere el nombre, este componente consta de dos partes: un sustrato de grafito y un revestimiento de carburo de silicio. Ahora lo examinaremos paso a paso.
¿Qué es una base de grafito?
La base, también conocida como “bandeja”, se muestra en la Figura 1. Sirve como componente central de calentamiento o soporte de carga de alta temperatura en la fabricación de semiconductores.
Características de rendimiento:
La base de la base de grafito es grafito isostático de pureza ultraalta. (Figura 2)
El grafito presenta una pureza de 5N a 6N con bajo contenido de cenizas, lo que significa que es de alta pureza y baja en impurezas. Es isotrópico, con un coeficiente de expansión térmica casi constante en todas las direcciones. Esto garantiza una deformación mínima y la ausencia de grietas durante el calentamiento o enfriamiento a altas temperaturas. También combina bien con el recubrimiento de carburo de silicio introducido posteriormente, evitando que el recubrimiento se despegue causado por una expansión no coincidente.
Aunque la estructura del grafito es densa y de baja porosidad, todavía contiene poros diminutos. Los gases pueden penetrar a través de estos poros, afectando la calidad del producto. El grafito también tiende a generar polvo que contamina las obleas.
El grafito puede soportar temperaturas superiores a 2000°C en ambientes no oxidantes, pero es no resistente a la corrosión por NH₃, HCl, etc. . En presencia de oxígeno, se oxida y erosiona a altas temperaturas, provocando una contracción dimensional.
En resumen, en ambientes oxidantes donde se requiere una larga vida útil y resistencia a la corrosión, los susceptores de grafito puro tienen más desventajas que ventajas. Por lo tanto, se necesita un recubrimiento para superar estas debilidades.
Hay muchos tipos de recubrimientos y cada uno tiene diferentes propósitos. Entre ellos, El recubrimiento de carburo de silicio (SiC) ofrece el mejor rendimiento general y rentabilidad. , ya que proporciona simultáneamente resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, buena adaptación térmica, protección de alta pureza, alta conductividad térmica y alta densidad.
¿Por qué elegir el recubrimiento de carburo de silicio?
Ahora proporcionamos una introducción detallada al recubrimiento de carburo de silicio para comprender mejor por qué es esencial.
Recubrimiento de SiC:
Es un recubrimiento de β-SiC policristalino denso y de alta pureza, elaborado mediante el método CVD (Chemical Vapor Deposition) sobre la superficie de grafito isotrópico de alta pureza. Tiene características clave como resistencia a la oxidación, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, alta densidad, resistencia a altas temperaturas, alta conductividad térmica y pureza ultra alta. Es la solución protectora estándar para susceptores de grafito en procesos de epitaxia de semiconductores de tercera generación.
Características clave:
Resistencia a la oxidación : Se mantiene estable a temperaturas de hasta 1600 ℃ en ambientes con oxígeno y se oxida mucho más lentamente que el grafito puro. A altas temperaturas, no pierde peso ni encoge debido a oxidación o cambios estructurales, lo que prolonga enormemente la vida útil del susceptor.
Resistencia al desgaste : El SiC tiene una alta dureza de HV 2800–3300. Su superficie es densa y suave como un espejo, lo que evita por completo que el polvo caiga del grafito, evita la contaminación por partículas y mejora significativamente el rendimiento de las obleas epitaxiales.
Resistencia a la corrosión : En ambientes de epitaxia de alta temperatura, puede resistir de manera estable gases corrosivos como fuentes de NH₃, HCl y MO (como TMGa, TMAl). Es químicamente estable, sin reacción, disolución ni corrosión.
Densidad : El recubrimiento de SiC obtenido mediante CVD es denso y continuo, sin poros ni poros visibles. Cubre y sella completamente el sustrato de grafito, evita que los gases del proceso se filtren y las impurezas se propaguen y, fundamentalmente, previene la contaminación de las obleas.
Resistencia a altas temperaturas : Puede funcionar de manera estable durante mucho tiempo hasta 1600 ℃ (en ambientes con oxígeno) y por encima de 1800 ℃ (en ambientes con gas inerte). A altas temperaturas no se ablanda, no se descompone ni cambia su estructura.
Conductividad térmica : El SiC tiene una conductividad térmica de 120 a 150 W/(m·K). Puede transferir calor de manera rápida y uniforme, asegurando que la temperatura en la superficie de la oblea sea uniforme.
El revestimiento de SiC de alta pureza contiene menos de 1 ppm de impurezas metálicas totales y menos de 1 ppb de elementos radiactivos como U y Th. A altas temperaturas, no se liberan impurezas ni se produce contaminación metálica, lo que cumple con los estrictos requisitos de limpieza para la epitaxia de semiconductores.
Además, el coeficiente de expansión térmica del SiC (4,5–5,0×10⁻⁶/℃) es muy cercano al del grafito isotrópico de alta pureza (4,0–6,0×10⁻⁶/℃). Esto significa que hay muy poca tensión entre el recubrimiento y el grafito durante los ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento, por lo que el recubrimiento no se agrieta ni se desprende y tiene una fuerte adhesión. En condiciones estándar de producción en masa, el recubrimiento de SiC puede extender la vida útil del susceptor entre 5 y 10 veces, lo que reduce en gran medida la frecuencia de reemplazo y el tiempo de inactividad, y su costo de uso general es mucho menor que el de los susceptores de grafito puro.
¿Por qué es necesario añadir una capa de carburo de silicio sobre el sustrato de grafito?
Para comprender mejor la diferencia de rendimiento entre sustratos de grafito con revestimiento de SiC y sustratos de grafito sin recubrimiento de SiC , hemos enumerado algunos datos clave en una tabla para una comparación más directa y clara.
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Indicador de desempeño |
Susceptor de grafito sin revestimiento de SiC |
Susceptor de grafito recubierto de SiC |
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Pureza |
5N-6N, contenido de cenizas ≤5ppm |
5N-6N, contenido de cenizas ≤1ppm |
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Dureza |
AL 80-120 |
AL 2800-3200 |
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Resistencia a altas temperaturas |
2000-2200 ℃ en ambientes no oxidantes; ≤800 ℃ en ambientes oxidantes |
1200-1400 ℃ en ambientes no oxidantes; ≤1600℃ en ambientes oxidantes, estable sin descomposición |
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Resistencia a la oxidación |
Pobre fácil de oxidar y encoger en ambientes oxidantes de alta temperatura |
Excelente sin pérdida de peso por oxidación ni contracción dimensional por debajo de 1600℃ |
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Resistencia a la corrosión |
Pobre Fácil de corroer y pulverizar por fuentes de NH₃, HCl, MO, etc. |
Excelente Resiste de manera estable gases corrosivos fuertes como NH₃, HCl, TMGa, TMAl |
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Densidad |
Porosidad 5%-8%, permeabilidad al gas ≥1,2×10⁻⁸ cm²/s |
Porosidad ≤0,5%, permeabilidad al gas ≤5×10⁻¹² cm²/s, sin poros evidentes |
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Conductividad térmica |
80-120 W/(m·K), diferencia dentro del plano versus fuera del plano ≥20% |
120-150 W/(m·K), diferencia dentro del plano frente a fuera del plano ≤5% |
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Estado de la superficie |
Rugosidad de la superficie Ra≥0,8μm, propensa al polvo, sin protección |
Rugosidad de la superficie Ra≤0,1μm, revestimiento de β-SiC preparado por CVD, sin formación de polvo |
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Vida útil |
3-6 meses ciclos térmicos ≤50 veces |
18-24 meses ciclos térmicos ≥500 veces |
Proceso de fabricación de recubrimiento de carburo de silicio.:
Existen múltiples métodos para preparar recubrimientos de carburo de silicio, incluido el método sol-gel , recubrimiento por pulverización, pulverización por haz de iones, reacción química de vapor (CVR) y deposición química de vapor (CVD). Entre ellas, la deposición química de vapor (CVD) es actualmente la técnica predominante para la preparación de recubrimientos de SiC.
ECV:
Principio :
Se mezcla una fuente de gas que contiene silicio (por ejemplo, metiltriclorosilano MTS, silano SiH₄) con una fuente de gas que contiene carbono (por ejemplo, propano C₃H₈, acetileno C₂H₂) en un relación especificada. La mezcla se somete a pirólisis en un reactor de alta temperatura, lo que da como resultado la formación química de películas de SiC en la superficie del sustrato mediante reacciones químicas.
Características:
1. El recubrimiento es el más denso, libre de poros.
2. Alta fuerza de unión al sustrato y permite un control preciso del espesor y la pureza.
3. Representa el único proceso convencional para sustratos semiconductores.
4. Parámetros típicos: temperatura de deposición 1100–1350°C, espesor de recubrimiento 5–20 μm.
Estado del mercado
Actualmente, el mercado mundial de sustratos de grafito recubiertos de SiC está dominado por empresas de Europa, América y Japón, siendo la alemana SGL Carbon y la japonesa Toyo Tanso líderes de la industria que durante mucho tiempo han mantenido importantes participaciones en el mercado global. Estas dos empresas se destacan en el sector de sustratos de grafito recubiertos de SiC de grado semiconductor debido a su tecnología madura de recubrimiento CVD y las ventajas del sustrato de grafito de alta pureza, y sus productos se utilizan ampliamente en equipos MOCVD globales y procesos de epitaxia de SiC. China ha logrado avances en la tecnología central de recubrimientos de SiC de crecimiento uniforme sobre sustratos de grafito, y su calidad ha sido validada por clientes nacionales e internacionales. Además, poseen cierta competitividad en cuanto a precios, cumpliendo con los requisitos de los equipos MOCVD para sustratos de grafito recubiertos de SiC.
Susceptor de grafito recubierto de SiC de Semicera
Semicera ha dedicado más de una década a la tecnología de recubrimiento de carburo de silicio, logrando un éxito notable al tiempo que ofrece servicios de personalización personalizados para satisfacer necesidades personalizadas. Con continuos avances tecnológicos, hemos introducido la misma tecnología de capa intermedia que SGL. A través de técnicas de procesamiento especializadas, se agrega una capa intermedia entre grafito y carburo de silicio, lo que resulta en una vida útil más que triplicada.
