Графитовый токоприемник с покрытием SiC: полное руководство
Люси Чжан (продажи) @ Semicera Semiconductor Technology Co., Ltd.
Графитовая подложка с покрытием SiC представляет собой полупроводниковый компонент, используемый для поддержки и нагрева монокристаллических подложек в оборудовании MOCVD (химическое осаждение из паровой фазы металлов). Как следует из названия, этот компонент состоит из двух частей: графитовой подложки и покрытия из карбида кремния. Сейчас мы рассмотрим это шаг за шагом.
Что такое графитовая основа?
Основание, также известное как «лоток», показано на рисунке 1. Оно служит основным высокотемпературным несущим или нагревательным компонентом в производстве полупроводников.
Характеристики производительности:
Основой графитовой основы является изостатический графит сверхвысокой чистоты (рис. 2).
Графит имеет чистоту 5N–6N с низкой зольностью, что означает высокую чистоту и малое содержание примесей. Он изотропен, с почти постоянным коэффициентом теплового расширения во всех направлениях. Это обеспечивает минимальную деформацию и отсутствие растрескивания при нагреве или охлаждении при высоких температурах. Он также хорошо сочетается с покрытием из карбида кремния, представленным позже, предотвращая отслаивание покрытия, вызванное несоответствующим расширением.
Хотя структура графита плотная и имеет низкую пористость, она все же содержит крошечные поры. Через эти поры могут проникать газы, влияя на качество продукции. Графит также имеет тенденцию образовывать пыль, которая загрязняет пластины.
Графит выдерживает температуру выше 2000°С в неокисляющих средах. не устойчив к коррозии NH₃, HCl и т. д. . В присутствии кислорода он окисляется и разрушается при высоких температурах, что приводит к усадке размеров.
Таким образом, в окислительных средах, где требуется длительный срок службы и коррозионная стойкость, токоприемники из чистого графита имеют больше недостатков, чем преимуществ. Поэтому для преодоления этих недостатков необходимо покрытие.
Существует множество типов покрытий, каждое из которых служит разным целям. Среди них, Покрытие из карбида кремния (SiC) обеспечивает наилучшие общие характеристики и экономическую эффективность. , поскольку он одновременно обеспечивает износостойкость, коррозионную стойкость, хорошее термическое соответствие, защиту высокой чистоты, высокую теплопроводность и высокую плотность.
Почему стоит выбрать покрытие из карбида кремния?
Теперь мы предоставим подробное описание покрытия из карбида кремния, чтобы лучше понять, почему оно важно.
SiC-покрытие:
Это плотное поликристаллическое покрытие β-SiC высокой чистоты, полученное методом CVD (химического осаждения из паровой фазы) на поверхность изотропного графита высокой чистоты. Он обладает такими ключевыми характеристиками, как стойкость к окислению, износостойкость, коррозионная стойкость, высокая плотность, устойчивость к высоким температурам, высокая теплопроводность и сверхвысокая чистота. Это стандартное защитное решение для графитовых токоприемников в процессах эпитаксии полупроводников третьего поколения.
Ключевые характеристики:
Устойчивость к окислению : Он остается стабильным при температуре до 1600 ℃ в среде с кислородом и окисляется гораздо медленнее, чем чистый графит. При высоких температурах он не теряет вес и не дает усадку из-за окисления или структурных изменений, что значительно продлевает срок службы токоприемника.
Износостойкость : SiC имеет высокую твердость HV 2800–3300. Его поверхность плотная и гладкая, как зеркало, что полностью предотвращает падение пыли с графита, предотвращает загрязнение частицами и значительно повышает выход эпитаксиальных пластин.
Коррозионная стойкость : В условиях высокотемпературной эпитаксии он может стабильно противостоять агрессивным газам, таким как источники NH₃, HCl и MO (например, TMGa, TMAl). Он химически стабилен, не подвержен реакциям, растворению или коррозии.
Плотность : Покрытие SiC, полученное методом CVD, является плотным и непрерывным, без видимых пор и отверстий. Он полностью покрывает и герметизирует графитовую подложку, предотвращает просачивание технологических газов и распространение примесей, а также принципиально предотвращает загрязнение пластины.
Высокая термостойкость : Он может стабильно работать в течение длительного времени при температуре до 1600 ℃ (в среде с кислородом) и выше 1800 ℃ (в среде инертного газа). При высоких температурах он не размягчается, не разлагается и не меняет свою структуру.
Теплопроводность : SiC имеет теплопроводность 120–150 Вт/(м·К). Он может передавать тепло быстро и равномерно, обеспечивая равномерную температуру на поверхности пластины.
Покрытие высокой чистоты SiC содержит менее 1 ppm общих металлических примесей и менее 1 ppm радиоактивных элементов, таких как U и Th. При высоких температурах не выделяются примеси и не происходит загрязнения металла, что соответствует строгим требованиям чистоты для эпитаксии полупроводников.
Кроме того, коэффициент теплового расширения SiC (4,5–5,0×10⁻⁶/℃) очень близок к коэффициенту теплового расширения изотропного графита высокой чистоты (4,0–6,0×10⁻⁶/℃). Это означает, что между покрытием и графитом во время повторяющихся циклов нагрева и охлаждения возникает очень небольшое напряжение, поэтому покрытие не трескается и не отслаивается и имеет прочную адгезию. В стандартных условиях массового производства покрытие SiC позволяет продлить срок службы токоприемника в 5–10 раз, значительно сокращая частоту замены и время простоя, а общая стоимость его использования намного ниже, чем у токоприемников из чистого графита.
Почему необходимо добавлять покрытие из карбида кремния на графитовую подложку?
Чтобы лучше понять разницу в производительности между графитовые подложки с покрытием SiC и графитовые подложки без покрытия SiC , мы перечислили некоторые ключевые данные в таблице для более прямого и четкого сравнения.
|
Индикатор эффективности |
Графитовый токоприемник без покрытия SiC |
Графитовый токоприемник с покрытием SiC |
|
Чистота |
5Н-6Н, зольность ≤5ppm |
5Н-6Н, зольность ≤1ppm |
|
Твердость |
ХВ 80-120 |
ХВ 2800-3200 |
|
Высокая термостойкость |
2000-2200℃ в неокисляющих средах; ≤800℃ в окислительных средах |
1200-1400℃ в неокисляющих средах; ≤1600℃ в окислительных средах, стабилен без разложения. |
|
Устойчивость к окислению |
Бедный легко окисляется и дает усадку в высокотемпературных окислительных средах |
Отличный отсутствие потери массы при окислении или размерной усадки ниже 1600℃ |
|
Коррозионная стойкость |
Бедный легко подвергается коррозии и распылению под воздействием источников NH₃, HCl, MO и т. д. |
Отличный стабильно противостоит сильным агрессивным газам, таким как NH₃, HCl, TMGa, TMAl |
|
Плотность |
Пористость 5%-8%, газопроницаемость ≥1,2×10⁻⁸ см²/с |
Пористость ≤0,5%, газопроницаемость ≤5×10⁻¹² см²/с, без явных пор |
|
Теплопроводность |
80–120 Вт/(м·К), разница в плоскости и вне плоскости ≥20 % |
120–150 Вт/(м·К), разница в плоскости и вне плоскости ≤5 % |
|
Состояние поверхности |
Шероховатость поверхности Ra≥0,8 мкм, склонна к пылению, нет защиты. |
Шероховатость поверхности Ra≤0,1 мкм, покрытие β-SiC, полученное методом CVD, без пыли |
|
Срок службы |
3-6 месяцев термические циклы ≤50 раз |
18-24 месяца термические циклы ≥500 раз |
Процесс изготовления покрытия из карбида кремния:
Существует несколько методов получения покрытий из карбида кремния, в том числе золь-гель метод , напыление, ионно-лучевое напыление, химическая реакция из паровой фазы (CVR) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Среди них химическое осаждение из паровой фазы (CVD) в настоящее время является преобладающим методом подготовки покрытия SiC.
ССЗ:
Принцип :
Источник кремнийсодержащего газа (например, метилтрихлорсилан MTS, силан SiH₄) смешивают с источником углеродсодержащего газа (например, пропан C₃H₈, ацетилен C2H₂) в указанное соотношение. Смесь подвергается пиролизу в высокотемпературном реакторе, в результате чего в результате химических реакций на поверхности подложки образуются пленки SiC.
Характеристики:
1. Покрытие максимально плотное, без дырочек.
2. Высокая прочность сцепления с подложкой, позволяющая точно контролировать толщину и чистоту.
3. Это единственный основной процесс изготовления полупроводниковых подложек.
4. Типичные параметры: температура осаждения 1100–1350°С, толщина покрытия 5–20 мкм.
Статус рынка
В настоящее время на мировом рынке графитовых подложек с SiC-покрытием доминируют компании из Европы, Америки и Японии, при этом немецкая SGL Carbon и японская Toyo Tanso являются лидерами отрасли и уже давно владеют основной долей на мировом рынке. Эти две компании выделяются в секторе графитовых подложек полупроводникового класса с покрытием SiC благодаря своей отработанной технологии покрытия CVD и преимуществам подложек из графита высокой чистоты, а их продукция широко используется в глобальном оборудовании MOCVD и процессах эпитаксии SiC. В настоящее время Китай разработал основную технологию равномерного выращивания покрытий SiC на графитовых подложках, качество которых подтверждено отечественными и международными клиентами. Кроме того, они обладают определенной ценовой конкурентоспособностью, удовлетворяя требованиям оборудования MOCVD для графитовых подложек с покрытием SiC.
Графитовый токоприемник Semicera с покрытием SiC
Компания Semicera более десяти лет посвятила технологии покрытий из карбида кремния, добившись выдающихся успехов и предлагая индивидуальные услуги по индивидуальной настройке для удовлетворения индивидуальных потребностей. Благодаря постоянному технологическому прогрессу мы внедрили ту же технологию буферного слоя, что и SGL. Благодаря специальным технологиям обработки между графитом и карбидом кремния добавляется буферный слой, в результате чего срок службы увеличивается более чем в три раза.
