Susceptor de grafite revestido com SiC: um guia completo
Por Lucy Zhang (Vendas) @ semicera semiconductor technology co., ltd.
O substrato de grafite revestido com SiC é um componente semicondutor usado para suportar e aquecer substratos monocristalinos em equipamentos MOCVD (deposição química de vapor orgânico metálico). Como o nome sugere, este componente consiste em duas partes: um substrato de grafite e um revestimento de carboneto de silício. Vamos agora examiná-lo passo a passo.
O que é uma base de grafite?
A base, também conhecida como “bandeja”, é mostrada na Figura 1. Ela serve como componente central de suporte de carga ou aquecimento de alta temperatura na fabricação de semicondutores.
Recursos de desempenho:
A base da base de grafite é grafite isostática de ultra-alta pureza.（Figura 2）
A grafite apresenta uma pureza de 5N–6N com baixo teor de cinzas, o que significa que é de alta pureza e baixa impureza. É isotrópico, com um coeficiente de expansão térmica quase consistente em todas as direções. Isso garante deformação mínima e ausência de rachaduras durante aquecimento ou resfriamento em altas temperaturas. Ele também combina bem com o revestimento de carboneto de silício introduzido posteriormente, evitando o descascamento do revestimento causado por expansão incompatível.
Embora a estrutura do grafite seja densa e com baixa porosidade, ela ainda contém pequenos poros. Os gases podem penetrar através destes poros, afetando a qualidade do produto. A grafite também tende a gerar poeira, que contamina os wafers.
A grafite pode suportar temperaturas acima de 2.000°C em ambientes não oxidantes, mas é não resistente à corrosão por NH₃, HCl e assim por diante . Na presença de oxigênio, oxida e sofre erosão em altas temperaturas, levando ao encolhimento dimensional.
Em resumo, em ambientes oxidantes onde são necessárias longa vida útil e resistência à corrosão, os susceptores de grafite puro apresentam mais desvantagens do que vantagens. Portanto, é necessário um revestimento para superar essas fraquezas.
Existem muitos tipos de revestimentos, cada um servindo a finalidades diferentes. Entre eles, O revestimento de carboneto de silício (SiC) oferece o melhor desempenho geral e economia , pois fornece simultaneamente resistência ao desgaste, resistência à corrosão, boa combinação térmica, proteção de alta pureza, alta condutividade térmica e alta densidade.
Por que escolher o revestimento de carboneto de silício?
Fornecemos agora uma introdução detalhada ao revestimento de carboneto de silício, para entender melhor por que ele é essencial.
Revestimento de SiC:
É um revestimento β-SiC policristalino denso e de alta pureza, feito pelo método CVD (Chemical Vapor Deposition) na superfície de grafite isotrópica de alta pureza. Possui características importantes como resistência à oxidação, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, alta densidade, resistência a altas temperaturas, alta condutividade térmica e pureza ultra-alta. É a solução de proteção padrão para susceptores de grafite em processos de epitaxia de semicondutores de terceira geração.
Características principais:
Resistência à oxidação : Permanece estável em temperaturas de até 1600°C em ambientes com oxigênio e oxida muito mais lentamente que o grafite puro. Em altas temperaturas, não perde peso nem encolhe devido à oxidação ou alterações estruturais, o que prolonga muito a vida útil do susceptor.
Resistência ao desgaste : O SiC tem uma alta dureza de HV 2800–3300. Sua superfície é densa e lisa como um espelho, o que impede completamente a queda de poeira do grafite, evita a contaminação por partículas e melhora significativamente o rendimento dos wafers epitaxiais.
Resistência à corrosão : Em ambientes de epitaxia de alta temperatura, ele pode resistir de forma estável a gases corrosivos, como fontes de NH₃, HCl e MO (como TMGa, TMAl). É quimicamente estável, sem reação, dissolução ou corrosão.
Densidade : O revestimento de SiC feito por CVD é denso e contínuo, sem poros ou furos visíveis. Ele cobre e veda totalmente o substrato de grafite, impede a infiltração de gases do processo e a propagação de impurezas e evita fundamentalmente a contaminação do wafer.
Resistência a altas temperaturas : Pode funcionar de forma estável por um longo período de tempo até 1600°C (em ambientes com oxigênio) e acima de 1800°C (em ambientes de gás inerte). Em altas temperaturas, não amolece, não se decompõe nem altera sua estrutura.
Condutividade Térmica : O SiC tem uma condutividade térmica de 120–150 W/(m·K). Ele pode transferir calor de forma rápida e uniforme, garantindo que a temperatura na superfície do wafer seja uniforme.
O revestimento de SiC de alta pureza contém menos de 1 ppm de impurezas metálicas totais e menos de 1 ppb de elementos radioativos como U e Th. Em altas temperaturas, nenhuma impureza é liberada e nenhuma contaminação metálica ocorre, atendendo aos rigorosos requisitos de limpeza para epitaxia semicondutora.
Além disso, o coeficiente de expansão térmica do SiC (4,5–5,0×10⁻⁶/℃) é muito próximo do da grafite isotrópica de alta pureza (4,0–6,0×10⁻⁶/℃). Isto significa que há muito pouca tensão entre o revestimento e o grafite durante repetidos ciclos de aquecimento e resfriamento, de modo que o revestimento não racha nem descasca e tem forte adesão. Sob condições padrão de produção em massa, o revestimento de SiC pode prolongar a vida útil do susceptor em 5 a 10 vezes, reduzindo significativamente a frequência de substituição e o tempo de inatividade, e seu custo geral de uso é muito menor do que o dos susceptores de grafite puro.
Por que é necessário adicionar um revestimento de carboneto de silício ao substrato de grafite?
Para entender melhor a diferença de desempenho entre substratos de grafite com revestimento de SiC e substratos de grafite sem revestimento de SiC , listamos alguns dados importantes em uma tabela para uma comparação mais direta e clara.
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Indicador de desempenho |
Susceptor de grafite sem revestimento de SiC |
Susceptor de grafite revestido com SiC |
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Pureza |
5N-6N, teor de cinzas ≤5ppm |
5N-6N, teor de cinzas ≤1ppm |
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Dureza |
AT 80-120 |
AT 2800-3200 |
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Resistência a altas temperaturas |
2.000-2.200 ℃ em ambientes não oxidantes; ≤800℃ em ambientes oxidantes |
1200-1400℃ em ambientes não oxidantes; ≤1600℃ em ambientes oxidantes, estável sem decomposição |
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Resistência à oxidação |
Pobre fácil de oxidar e encolher em ambientes oxidantes de alta temperatura |
Excelente sem perda de peso por oxidação ou encolhimento dimensional abaixo de 1600℃ |
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Resistência à corrosão |
Pobre fácil de ser corroído e pulverizado por fontes de NH₃, HCl, MO, etc. |
Excelente resiste de forma estável a gases corrosivos fortes, como NH₃, HCl, TMGa, TMAl |
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Densidade |
Porosidade 5%-8%, permeabilidade ao gás ≥1,2×10⁻⁸ cm²/s |
Porosidade ≤0,5%, permeabilidade ao gás ≤5×10⁻¹² cm²/s, sem poros óbvios |
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Condutividade Térmica |
80-120 W/(m·K), diferença no plano versus fora do plano ≥20% |
120-150 W/(m·K), diferença no plano versus fora do plano ≤5% |
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Estado da superfície |
Rugosidade da superfície Ra≥0,8μm, propensa a poeira, sem proteção |
Rugosidade da superfície Ra≤0,1μm, revestimento β-SiC preparado para CVD, sem poeira |
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Vida útil |
3-6 meses ciclos térmicos ≤50 vezes |
18-24 meses ciclos térmicos ≥500 vezes |
Processo de fabricação de revestimento de carboneto de silício:
Existem vários métodos para preparar revestimentos de carboneto de silício, incluindo o método sol-gel , revestimento por pulverização, pulverização por feixe de íons, reação química de vapor (CVR) e deposição química de vapor (CVD). Entre estas, a deposição química de vapor (CVD) é atualmente a técnica predominante para a preparação de revestimentos de SiC.
DCV:
Princípio :
Uma fonte de gás contendo silício (por exemplo, metil triclorossilano MTS, silano SiH₄) é misturada com uma fonte de gás contendo carbono (por exemplo, propano C₃H₈, acetileno C₂H₂) em um proporção especificada. A mistura sofre pirólise em reator de alta temperatura, resultando na formação química de filmes de SiC na superfície do substrato por meio de reações químicas.
Características:
1. O revestimento é o mais denso, sem furos
2. Alta resistência de ligação ao substrato e permite controle preciso de espessura e pureza.
3. Representa o único processo convencional para substratos semicondutores.
4. Parâmetros típicos: temperatura de deposição 1100–1350°C, espessura do revestimento 5–20 μm.
Status do mercado
Atualmente, o mercado global de substrato de grafite revestido de SiC é dominado por empresas da Europa, América e Japão, sendo a SGL Carbon da Alemanha e a Toyo Tanso do Japão líderes da indústria que há muito detêm participações importantes no mercado global. Essas duas empresas se destacam no setor de substratos de grafite revestidos com SiC de grau semicondutor devido à sua tecnologia madura de revestimento CVD e às vantagens do substrato de grafite de alta pureza, com seus produtos amplamente utilizados em equipamentos MOCVD globais e processos de epitaxia de SiC. A China já avançou na tecnologia central de revestimentos de SiC de crescimento uniforme em substratos de grafite, com sua qualidade validada por clientes nacionais e internacionais. Além disso, possuem certa competitividade de preço, atendendo aos requisitos dos equipamentos MOCVD para substratos de grafite revestidos com SiC.
Susceptor de grafite revestido com SiC da Semicera
A Semicera dedicou mais de uma década à tecnologia de revestimento de carboneto de silício, alcançando um sucesso notável e ao mesmo tempo oferecendo serviços de personalização sob medida para atender às necessidades personalizadas. Com avanços tecnológicos contínuos, introduzimos a mesma tecnologia de camada intermediária do SGL. Através de técnicas de processamento especializadas, uma camada tampão é adicionada entre o grafite e o carboneto de silício, resultando em uma vida útil mais que triplicada.
