O que é susceptor de grafite revestido de SiC?

Figura 1. Susceptor de grafite revestido com SiC

1. Camada epitaxial e seus equipamentos

Durante o processo de fabricação do wafer, precisamos construir ainda mais uma camada epitaxial em alguns substratos do wafer para facilitar a fabricação de dispositivos. Epitaxia refere-se ao processo de crescimento de um novo cristal único em um substrato de cristal único que foi cuidadosamente processado por corte, retificação e polimento. O novo cristal único pode ser do mesmo material do substrato ou de um material diferente (homoepitaxial ou heteroepitaxial). Como a nova camada de cristal único cresce ao longo da fase cristalina do substrato, ela é chamada de camada epitaxial, e a fabricação do dispositivo é realizada na camada epitaxial. 

Por exemplo, umGaAs epitaxialcamada é preparada sobre substrato de silício para dispositivos emissores de luz LED; umSiC epitaxiala camada é cultivada em um substrato condutor de SiC para a construção de SBD, MOSFET e outros dispositivos em aplicações de energia; uma camada epitaxial de GaN é construída em um substrato semi-isolante de SiC para fabricar ainda mais dispositivos como HEMT em aplicações de radiofrequência, como comunicações. Parâmetros como a espessura dos materiais epitaxiais de SiC e a concentração de portadores de fundo determinam diretamente as várias propriedades elétricas dos dispositivos de SiC. Neste processo, não podemos prescindir de equipamentos de deposição química de vapor (CVD).

Figura 2. Modos de crescimento do filme epitaxial

2. Importância do susceptor de grafite revestido com SiC em equipamentos CVD

Em equipamentos CVD, não podemos colocar o substrato diretamente sobre o metal ou simplesmente sobre uma base para deposição epitaxial, pois envolve muitos fatores como direção do fluxo de gás (horizontal, vertical), temperatura, pressão, fixação e contaminantes. Portanto, precisamos usar um susceptor(portador de wafer) para colocar o substrato em uma bandeja e usar a tecnologia CVD para realizar a deposição epitaxial sobre ele. Este susceptor é o susceptor de grafite revestido com SiC (também chamado de bandeja).

2.1 Aplicação de susceptor de grafite revestido com SiC em equipamentos MOCVD

O susceptor de grafite revestido com SiC desempenha um papel fundamental naequipamento de deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD)para suportar e aquecer substratos de cristal único. A estabilidade térmica e a uniformidade térmica deste susceptor são cruciais para a qualidade dos materiais epitaxiais, por isso é considerado um componente central indispensável no equipamento MOCVD. A tecnologia de deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD) é atualmente amplamente utilizada no crescimento epitaxial de filmes finos de GaN em LEDs azuis porque tem as vantagens de operação simples, taxa de crescimento controlável e alta pureza.

Como um dos principais componentes do equipamento MOCVD, o susceptor de grafite semicondutor Vetek é responsável por suportar e aquecer substratos de cristal único, o que afeta diretamente a uniformidade e pureza de materiais de filme fino e, portanto, está relacionado à qualidade de preparação de wafers epitaxiais. À medida que o número de utilizações aumenta e o ambiente de trabalho muda, o susceptor de grafite está sujeito a desgaste e, portanto, é classificado como consumível.

2.2. Características do susceptor de grafite revestido com SIC

Para atender às necessidades dos equipamentos MOCVD, o revestimento necessário para o susceptor de grafite deve possuir características específicas para atender às seguintes normas:

✔  Boa cobertura: O revestimento de SiC deve cobrir completamente o susceptor e ter um alto grau de densidade para evitar danos em um ambiente de gás corrosivo.

✔  Alta resistência de colagem: O revestimento deve estar firmemente ligado ao susceptor e não cair facilmente após vários ciclos de alta e baixa temperatura.

✔  Boa estabilidade química: O revestimento deve ter boa estabilidade química para evitar falhas em altas temperaturas e atmosferas corrosivas.

2.3 Dificuldades e desafios na combinação de materiais de grafite e carboneto de silício

O carboneto de silício (SiC) tem um bom desempenho em atmosferas epitaxiais de GaN devido às suas vantagens como resistência à corrosão, alta condutividade térmica, resistência ao choque térmico e boa estabilidade química. Seu coeficiente de expansão térmica é semelhante ao do grafite, tornando-o o material preferido para revestimentos de susceptores de grafite.

Porém, afinal,grafiteecarboneto de silíciosão dois materiais diferentes, e ainda haverá situações em que o revestimento tem vida útil curta, é fácil de cair e aumenta os custos devido aos diferentes coeficientes de expansão térmica. 

3. Tecnologia de revestimento SiC

3.1. Tipos comuns de SiC

Atualmente, os tipos comuns de SiC incluem 3C, 4H e 6H, e diferentes tipos de SiC são adequados para diferentes finalidades. Por exemplo, 4H-SiC é adequado para a fabricação de dispositivos de alta potência, 6H-SiC é relativamente estável e pode ser usado para dispositivos optoeletrônicos, e 3C-SiC pode ser usado para preparar camadas epitaxiais de GaN e fabricar dispositivos de RF SiC-GaN devido a sua estrutura semelhante ao GaN. 3C-SiC também é comumente referido como β-SiC, que é usado principalmente para filmes finos e materiais de revestimento. Portanto, o β-SiC é atualmente um dos principais materiais para revestimentos.

3.2.Revestimento de carboneto de silíciométodo de preparação

Existem muitas opções para a preparação de revestimentos de carboneto de silício, incluindo método gel-sol, método de pulverização, método de pulverização por feixe de íons, método de reação química de vapor (CVR) e método de deposição química de vapor (CVD). Dentre eles, o método de deposição química de vapor (CVD) é atualmente a principal tecnologia para preparação de revestimentos de SiC. Este método deposita revestimentos de SiC na superfície do substrato por meio de reação em fase gasosa, que tem as vantagens de uma ligação estreita entre o revestimento e o substrato, melhorando a resistência à oxidação e a resistência à ablação do material do substrato.

O método de sinterização em alta temperatura, ao colocar o substrato de grafite no pó de incorporação e sinterizá-lo em alta temperatura sob uma atmosfera inerte, finalmente forma um revestimento de SiC na superfície do substrato, que é chamado de método de incorporação. Embora este método seja simples e o revestimento esteja firmemente aderido ao substrato, a uniformidade do revestimento na direção da espessura é fraca e é provável que apareçam furos, o que reduz a resistência à oxidação.

✔  O método de pulverizaçãoenvolve a pulverização de matérias-primas líquidas na superfície do substrato de grafite e, em seguida, a solidificação das matérias-primas a uma temperatura específica para formar um revestimento. Embora este método seja de baixo custo, o revestimento está fracamente ligado ao substrato e o revestimento tem baixa uniformidade, espessura fina e baixa resistência à oxidação e geralmente requer tratamento adicional.

✔  Tecnologia de pulverização por feixe de íonsusa uma pistola de feixe de íons para pulverizar material fundido ou parcialmente fundido na superfície de um substrato de grafite, que então solidifica e se liga para formar um revestimento. Embora a operação seja simples e possa produzir um revestimento de carboneto de silício relativamente denso, o revestimento é fácil de quebrar e tem baixa resistência à oxidação. Geralmente é usado para preparar revestimentos compostos de SiC de alta qualidade.

✔ Método sol-gel, este método envolve preparar uma solução de sol uniforme e transparente, aplicá-la na superfície do substrato e depois secar e sinterizar para formar um revestimento. Embora a operação seja simples e o custo seja baixo, o revestimento preparado possui baixa resistência ao choque térmico e é propenso a trincas, portanto sua faixa de aplicação é limitada.

✔ Tecnologia de reação química de vapor (CVR): CVR usa pó de Si e SiO2 para gerar vapor de SiO e forma um revestimento de SiC por reação química na superfície do substrato do material de carbono. Embora um revestimento firmemente ligado possa ser preparado, é necessária uma temperatura de reação mais elevada e o custo é elevado.

✔  Deposição química de vapor (CVD): CVD é atualmente a tecnologia mais utilizada para a preparação de revestimentos de SiC, e os revestimentos de SiC são formados por reações em fase gasosa na superfície do substrato. O revestimento preparado por este método está intimamente ligado ao substrato, o que melhora a resistência à oxidação e a resistência à ablação do substrato, mas requer um longo tempo de deposição e o gás de reação pode ser tóxico.

Figura 3. Diagrama de deposição de vapor químico

4. A concorrência no mercado eSemicondutores Veteka inovação tecnológica

No mercado de substratos de grafite revestidos com SiC, os fabricantes estrangeiros começaram mais cedo, com óbvias vantagens de liderança e uma maior participação de mercado. Internacionalmente, a Xycard na Holanda, a SGL na Alemanha, a Toyo Tanso no Japão e a MEMC nos Estados Unidos são fornecedores convencionais e basicamente monopolizam o mercado internacional. No entanto, a China já avançou na tecnologia central de revestimentos de SiC de crescimento uniforme na superfície de substratos de grafite, e sua qualidade foi verificada por clientes nacionais e estrangeiros. Ao mesmo tempo, também apresenta certas vantagens competitivas em preço, que podem atender aos requisitos dos equipamentos MOCVD para a utilização de substratos de grafite revestidos de SiC. 

A Vetek semiconductor está envolvida em pesquisa e desenvolvimento na área deRevestimentos de SiCpor mais de 20 anos. Portanto, lançamos a mesma tecnologia de camada de buffer do SGL. Através de tecnologia de processamento especial, uma camada tampão pode ser adicionada entre grafite e carboneto de silício para aumentar a vida útil em mais de duas vezes.