บทบาทสำคัญและกรณีการใช้งานของตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เซมิเซรา เซมิคอนดักเตอร์ มีแผนที่จะเพิ่มการผลิตส่วนประกอบหลักสำหรับอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก ภายในปี 2570 เราตั้งเป้าที่จะสร้างโรงงานแห่งใหม่ขนาด 20,000 ตารางเมตรด้วยเงินลงทุนรวม 70 ล้านเหรียญสหรัฐ หนึ่งในองค์ประกอบหลักของเราคือตัวพาเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)หรือที่รู้จักกันในชื่อ Suceptor ได้เห็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ แล้วถาดที่ใส่เวเฟอร์นี้คืออะไรกันแน่?

ในกระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์ ชั้น epitaxis จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวเวเฟอร์บางชนิดเพื่อสร้างอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น ชั้น epitaxis ของ GaAs ถูกเตรียมบนพื้นผิวซิลิกอนสำหรับอุปกรณ์ LED ชั้น epitaxis ของ SiC ถูกปลูกบนซับสเตรต SiC ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสำหรับการใช้งานด้านพลังงาน เช่น SBD และ MOSFET และชั้น epitaxis ของ GaN ถูกสร้างขึ้นบนซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนสำหรับการใช้งาน RF เช่น HEMT . กระบวนการนี้ต้องอาศัยอย่างมากการสะสมไอสารเคมี (CVD)อุปกรณ์.

ในอุปกรณ์ CVD ไม่สามารถวางซับสเตรตบนโลหะโดยตรงหรือฐานธรรมดาสำหรับการสะสมที่เยื่อบุผิวได้ เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การไหลของก๊าซ (แนวนอน แนวตั้ง) อุณหภูมิ ความดัน ความเสถียร และการปนเปื้อน ดังนั้นจึงมีการใช้ตัวรับเพื่อวางซับสเตรตไว้ เพื่อให้สามารถเกิดการสะสมของอีพิทาแอกเซียลได้โดยใช้เทคโนโลยี CVD ตัวรับนี้คือตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC.

ตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC โดยทั่วไปจะใช้ในอุปกรณ์การสะสมไอสารเคมีโลหะ-อินทรีย์ (MOCVD) เพื่อรองรับและให้ความร้อนกับพื้นผิวผลึกเดี่ยว เสถียรภาพทางความร้อนและความสม่ำเสมอของ ตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiCมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อคุณภาพการเติบโตของวัสดุอีพิเทเชียล ทำให้เป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ MOCVD (บริษัทอุปกรณ์ MOCVD ชั้นนำ เช่น Veeco และ Aixtron) ปัจจุบัน เทคโนโลยี MOCVD ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเจริญเติบโตแบบ epitaxis ของฟิล์ม GaN สำหรับไฟ LED สีฟ้า เนื่องจากความเรียบง่าย อัตราการเติบโตที่ควบคุมได้ และมีความบริสุทธิ์สูง เนื่องจากเป็นส่วนสำคัญของเครื่องปฏิกรณ์ MOCVDตัวรับการเจริญเติบโตของ epitaxial ของฟิล์ม GaNต้องมีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง มีการนำความร้อนสม่ำเสมอ มีความเสถียรทางเคมี และทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน กราไฟท์ตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้อย่างสมบูรณ์แบบ

เนื่องจากเป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ MOCVD ตัวรับกราไฟต์จึงรองรับและให้ความร้อนแก่ซับสเตรตผลึกเดี่ยว ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอและความบริสุทธิ์ของวัสดุฟิล์ม คุณภาพส่งผลโดยตรงต่อการเตรียมเวเฟอร์เอพิแทกเซียล อย่างไรก็ตาม ด้วยการใช้งานที่เพิ่มขึ้นและสภาพการทำงานที่แตกต่างกัน ตัวรับกราไฟท์จึงเสื่อมสภาพได้ง่ายและถือเป็นวัสดุสิ้นเปลือง

ตัวรับ MOCVDจำเป็นต้องมีคุณสมบัติการเคลือบบางอย่างเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

• -ปกปิดดี:การเคลือบจะต้องครอบคลุมตัวรับกราไฟท์ที่มีความหนาแน่นสูงอย่างสมบูรณ์เพื่อป้องกันการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมของก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
• - มีแรงยึดเกาะสูง:สารเคลือบจะต้องยึดเกาะอย่างแน่นหนากับตัวรับกราไฟท์ โดยทนทานต่อวงจรอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำหลายรอบโดยไม่หลุดลอก
• - ความคงตัวทางเคมี:สารเคลือบจะต้องมีความเสถียรทางเคมีเพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวในบรรยากาศที่มีอุณหภูมิสูงและมีฤทธิ์กัดกร่อน

SiC ซึ่งมีความต้านทานการกัดกร่อน ค่าการนำความร้อนสูง ความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน และความเสถียรทางเคมีสูง ทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมอีพิแทกเซียลของ GaN นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ SiC นั้นคล้ายคลึงกับกราไฟท์ ทำให้ SiC เป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับการเคลือบตัวรับกราไฟท์

ปัจจุบัน SiC ประเภททั่วไป ได้แก่ 3C, 4H และ 6H ซึ่งแต่ละประเภทเหมาะสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น 4H-SiC สามารถผลิตอุปกรณ์กำลังสูงได้ 6H-SiC มีความเสถียรและใช้สำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ในขณะที่ 3C-SiC มีโครงสร้างคล้ายกับ GaN ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตเลเยอร์ epitaxis ของ GaN และอุปกรณ์ SiC-GaN RF 3C-SiC หรือที่เรียกว่า β-SiC ส่วนใหญ่จะใช้เป็นฟิล์มและวัสดุเคลือบ ทำให้เป็นวัสดุหลักสำหรับการเคลือบ

มีหลายวิธีในการเตรียมการเคลือบ SiCรวมถึงโซลเจล การฝัง การแปรง การพ่นพลาสมา ปฏิกิริยาไอเคมี (CVR) และการสะสมไอสารเคมี (CVD)

วิธีการฝังเป็นกระบวนการเผาผนึกโซลิดเฟสที่อุณหภูมิสูง โดยการวางซับสเตรตกราไฟท์ในผงฝังที่มีผง Si และ C และเผาในสภาพแวดล้อมที่มีก๊าซเฉื่อย การเคลือบ SiC จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวกราไฟท์ วิธีนี้ทำได้ง่าย และการเคลือบจะยึดเกาะกับซับสเตรตได้ดี อย่างไรก็ตาม สารเคลือบขาดความหนาสม่ำเสมอและอาจมีรูพรุน ส่งผลให้ต้านทานการเกิดออกซิเดชันได้ไม่ดี

วิธีการเคลือบแบบสเปรย์

วิธีการเคลือบแบบสเปรย์เกี่ยวข้องกับการพ่นวัตถุดิบที่เป็นของเหลวลงบนพื้นผิวกราไฟต์ และบ่มให้แข็งตัวที่อุณหภูมิที่กำหนดเพื่อสร้างสารเคลือบ วิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายและคุ้มต้นทุน แต่ส่งผลให้เกิดการยึดเกาะที่อ่อนแอระหว่างการเคลือบและซับสเตรต ความสม่ำเสมอของการเคลือบไม่ดี และการเคลือบบางที่มีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันต่ำ ซึ่งต้องใช้วิธีการเสริม

วิธีการพ่นด้วยลำแสงไอออน

การพ่นลำแสงไอออนใช้ปืนลำแสงไอออนเพื่อพ่นวัสดุที่หลอมละลายหรือหลอมเหลวบางส่วนลงบนพื้นผิวกราไฟต์ ทำให้เกิดการเคลือบเมื่อแข็งตัว วิธีนี้ทำได้ง่ายและสร้างการเคลือบ SiC ที่มีความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตาม สารเคลือบบางมีความต้านทานออกซิเดชันต่ำ ซึ่งมักใช้สำหรับสารเคลือบคอมโพสิต SiC เพื่อปรับปรุงคุณภาพ

วิธีโซล-เจล

วิธีโซลเจลเกี่ยวข้องกับการเตรียมสารละลายโซลโปร่งใสสม่ำเสมอ ครอบคลุมพื้นผิวของสารตั้งต้น และได้สารเคลือบหลังจากการอบแห้งและการเผาผนึก วิธีนี้เป็นวิธีที่ง่ายและคุ้มต้นทุน แต่ส่งผลให้การเคลือบมีความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิต่ำและไวต่อการแตกร้าว ซึ่งเป็นการจำกัดการใช้งานที่แพร่หลาย

ปฏิกิริยาไอเคมี (CVR)

CVR ใช้ผง Si และ SiO2 ที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างไอ SiO ซึ่งทำปฏิกิริยากับซับสเตรตของวัสดุคาร์บอนเพื่อสร้างสารเคลือบ SiC การเคลือบ SiC ที่ได้จะเกาะติดกับซับสเตรตอย่างแน่นหนา แต่กระบวนการนี้ต้องใช้อุณหภูมิและต้นทุนในการทำปฏิกิริยาสูง

การสะสมไอสารเคมี (CVD)

CVD เป็นเทคนิคหลักในการเตรียมการเคลือบ SiC โดยเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเฟสก๊าซบนพื้นผิวซับสเตรตกราไฟต์ ซึ่งวัตถุดิบเกิดปฏิกิริยาทางกายภาพและเคมี แล้วสะสมเป็นสารเคลือบ SiC CVD ผลิตการเคลือบ SiC ที่ยึดติดแน่นซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการระเหยของซับสเตรต อย่างไรก็ตาม CVD มีระยะเวลาการสะสมนานและอาจเกี่ยวข้องกับก๊าซพิษ

สถานการณ์ตลาด

ในตลาดตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC ผู้ผลิตจากต่างประเทศมีความเป็นผู้นำและมีส่วนแบ่งการตลาดสูง Semicera เอาชนะเทคโนโลยีหลักสำหรับการเจริญเติบโตของการเคลือบ SiC ที่สม่ำเสมอบนพื้นผิวกราไฟท์ โดยนำเสนอโซลูชันที่จัดการกับการนำความร้อน โมดูลัสยืดหยุ่น ความแข็ง ข้อบกพร่องของโครงตาข่าย และปัญหาด้านคุณภาพอื่นๆ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของอุปกรณ์ MOCVD อย่างสมบูรณ์

แนวโน้มในอนาคต

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของจีนกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยมีการแปลอุปกรณ์ MOCVD epitaxis เป็นภาษาท้องถิ่นเพิ่มมากขึ้น และการใช้งานที่เพิ่มมากขึ้น ตลาดตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC คาดว่าจะเติบโตอย่างรวดเร็ว

บทสรุป

เนื่องจากเป็นองค์ประกอบสำคัญในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบผสม การเรียนรู้เทคโนโลยีการผลิตหลักและปรับตำแหน่งตัวรับกราไฟท์ที่เคลือบ SiC ให้เหมาะกับท้องถิ่นจึงมีความสำคัญเชิงกลยุทธ์สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของจีน สาขาตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC ในประเทศกำลังเฟื่องฟู โดยคุณภาพของผลิตภัณฑ์ก้าวไปสู่ระดับสากลเซมิเซรามุ่งมั่นที่จะเป็นซัพพลายเออร์ชั้นนำในด้านนี้