Qu'est-ce qu'un suscepteur en graphite recouvert de SiC ?

Figure 1. Suscepteur en graphite recouvert de SiC

1. Couche épitaxiale et ses équipements

Au cours du processus de fabrication des plaquettes, nous devons en outre construire une couche épitaxiale sur certains substrats de plaquettes pour faciliter la fabrication des dispositifs. L'épitaxie fait référence au processus de croissance d'un nouveau monocristal sur un substrat monocristallin soigneusement traité par découpe, meulage et polissage. Le nouveau monocristal peut être le même matériau que le substrat, ou un matériau différent (homoépitaxial ou hétéroépitaxial). Étant donné que la nouvelle couche monocristalline se développe le long de la phase cristalline du substrat, elle est appelée couche épitaxiale et la fabrication du dispositif est réalisée sur la couche épitaxiale. 

Par exemple, unEpitaxie GaAsla couche est préparée sur un substrat de silicium pour dispositifs électroluminescents à LED ; unEpitaxie SiCla couche est cultivée sur un substrat SiC conducteur pour la construction de SBD, MOSFET et d'autres dispositifs dans les applications de puissance ; une couche épitaxiale de GaN est construite sur un substrat SiC semi-isolant pour fabriquer davantage des dispositifs tels que HEMT dans des applications radiofréquence telles que les communications. Des paramètres tels que l’épaisseur des matériaux épitaxiaux SiC et la concentration de fond en porteurs déterminent directement les diverses propriétés électriques des dispositifs SiC. Dans ce processus, nous ne pouvons pas nous passer des équipements de dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

Figure 2. Modes de croissance du film épitaxial

2. Importance du suscepteur en graphite revêtu de SiC dans les équipements CVD

Dans les équipements CVD, nous ne pouvons pas placer le substrat directement sur le métal ou simplement sur une base pour le dépôt épitaxial, car cela implique de nombreux facteurs tels que la direction du flux de gaz (horizontal, vertical), la température, la pression, la fixation et les contaminants. Par conséquent, nous devons utiliser un suscepteur (support de plaquette) pour placer le substrat sur un plateau et utiliser la technologie CVD pour réaliser un dépôt épitaxial sur celui-ci. Ce suscepteur est le suscepteur en graphite recouvert de SiC (également appelé plateau).

2.1 Application du suscepteur en graphite revêtu de SiC dans l'équipement MOCVD

Le suscepteur en graphite recouvert de SiC joue un rôle clé danséquipement de dépôt chimique organique métallique en phase vapeur (MOCVD)pour supporter et chauffer les substrats monocristallins. La stabilité thermique et l'uniformité thermique de ce suscepteur sont cruciales pour la qualité des matériaux épitaxiaux, c'est pourquoi il est considéré comme un composant essentiel indispensable des équipements MOCVD. La technologie de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) est actuellement largement utilisée dans la croissance épitaxiale de films minces de GaN dans des LED bleues, car elle présente les avantages d'un fonctionnement simple, d'un taux de croissance contrôlable et d'une grande pureté.

En tant que l'un des composants essentiels de l'équipement MOCVD, le suscepteur de graphite semi-conducteur Vetek est responsable du support et du chauffage des substrats monocristallins, ce qui affecte directement l'uniformité et la pureté des matériaux en couches minces, et est donc lié à la qualité de préparation des tranches épitaxiales. À mesure que le nombre d'utilisations augmente et que l'environnement de travail change, le suscepteur en graphite est sujet à l'usure et est donc classé parmi les consommables.

2.2. Caractéristiques du suscepteur en graphite revêtu de SIC

Pour répondre aux besoins des équipements MOCVD, le revêtement requis pour le suscepteur en graphite doit avoir des caractéristiques spécifiques pour répondre aux normes suivantes :

✔ Bonne couverture: Le revêtement SiC doit recouvrir complètement le suscepteur et avoir un degré élevé de densité pour éviter tout dommage dans un environnement gazeux corrosif.

✔  Force de liaison élevée: Le revêtement doit être fermement lié au suscepteur et ne pas tomber facilement après plusieurs cycles à haute et basse température.

✔  Bonne stabilité chimique: Le revêtement doit avoir une bonne stabilité chimique pour éviter les défaillances à haute température et dans des atmosphères corrosives.

2.3 Difficultés et défis liés à l'appariement des matériaux en graphite et en carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) fonctionne bien dans les atmosphères épitaxiales GaN en raison de ses avantages tels que la résistance à la corrosion, une conductivité thermique élevée, une résistance aux chocs thermiques et une bonne stabilité chimique. Son coefficient de dilatation thermique est similaire à celui du graphite, ce qui en fait le matériau préféré pour les revêtements de suscepteurs en graphite.

Cependant, après tout,graphiteetcarbure de siliciumsont deux matériaux différents, et il y aura toujours des situations dans lesquelles le revêtement a une durée de vie courte, se détache facilement et augmente les coûts en raison de différents coefficients de dilatation thermique. 

3. Technologie de revêtement SiC

3.1. Types courants de SiC

À l'heure actuelle, les types courants de SiC incluent 3C, 4H et 6H, et différents types de SiC conviennent à différents usages. Par exemple, le 4H-SiC convient à la fabrication de dispositifs de haute puissance, le 6H-SiC est relativement stable et peut être utilisé pour les dispositifs optoélectroniques, et le 3C-SiC peut être utilisé pour préparer des couches épitaxiales de GaN et fabriquer des dispositifs RF SiC-GaN en raison de sa structure similaire à celle du GaN. Le 3C-SiC est également communément appelé β-SiC, qui est principalement utilisé pour les films minces et les matériaux de revêtement. Le β-SiC est donc actuellement l’un des principaux matériaux utilisés pour les revêtements.

3.2 .Revêtement en carbure de siliciumméthode de préparation

Il existe de nombreuses options pour la préparation de revêtements de carbure de silicium, notamment la méthode gel-sol, la méthode de pulvérisation, la méthode de pulvérisation par faisceau d'ions, la méthode de réaction chimique en phase vapeur (CVR) et la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Parmi elles, la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est actuellement la principale technologie de préparation des revêtements SiC. Ce procédé dépose des revêtements SiC sur la surface du substrat par réaction en phase gazeuse, ce qui présente les avantages d'une liaison étroite entre le revêtement et le substrat, améliorant ainsi la résistance à l'oxydation et la résistance à l'ablation du matériau du substrat.

La méthode de frittage à haute température, en plaçant le substrat en graphite dans la poudre d'enrobage et en le frittant à haute température sous atmosphère inerte, forme finalement un revêtement SiC sur la surface du substrat, appelé méthode d'enrobage. Bien que cette méthode soit simple et que le revêtement soit étroitement lié au substrat, l'uniformité du revêtement dans le sens de l'épaisseur est médiocre et des trous ont tendance à apparaître, ce qui réduit la résistance à l'oxydation.

✔ La méthode de pulvérisationconsiste à pulvériser des matières premières liquides sur la surface du substrat en graphite, puis à solidifier les matières premières à une température spécifique pour former un revêtement. Bien que ce procédé soit peu coûteux, le revêtement est faiblement lié au substrat, et le revêtement présente une faible uniformité, une faible épaisseur et une mauvaise résistance à l'oxydation, et nécessite généralement un traitement supplémentaire.

✔  Technologie de pulvérisation par faisceau d'ionsutilise un pistolet à faisceau ionique pour pulvériser un matériau fondu ou partiellement fondu sur la surface d'un substrat en graphite, qui se solidifie ensuite et se lie pour former un revêtement. Bien que l'opération soit simple et puisse produire un revêtement de carbure de silicium relativement dense, le revêtement est facile à briser et présente une faible résistance à l'oxydation. Il est généralement utilisé pour préparer des revêtements composites SiC de haute qualité.

✔ Méthode sol-gel, cette méthode consiste à préparer une solution de sol uniforme et transparente, à l'appliquer sur la surface du substrat, puis à la sécher et à la fritter pour former un revêtement. Bien que l'opération soit simple et que le coût soit faible, le revêtement préparé présente une faible résistance aux chocs thermiques et est sujet à la fissuration, son domaine d'application est donc limité.

✔ Technologie de réaction chimique en phase vapeur (CVR): CVR utilise de la poudre de Si et SiO2 pour générer de la vapeur de SiO et forme un revêtement SiC par réaction chimique sur la surface du substrat en carbone. Bien qu'un revêtement étroitement lié puisse être préparé, une température de réaction plus élevée est nécessaire et le coût est élevé.

✔  Dépôt chimique en phase vapeur (CVD): Le CVD est actuellement la technologie la plus largement utilisée pour préparer des revêtements SiC, et les revêtements SiC sont formés par des réactions en phase gazeuse à la surface du substrat. Le revêtement préparé par ce procédé est étroitement lié au substrat, ce qui améliore la résistance à l'oxydation et à l'ablation du substrat, mais nécessite un temps de dépôt long et le gaz de réaction peut être toxique.

Figure 3. Diagramme de dépôt chimique en phase vapeur

4. La concurrence sur le marché etVetek Semi-conducteurl'innovation technologique

Sur le marché des substrats en graphite revêtus de SiC, les fabricants étrangers ont commencé plus tôt, avec des avantages évidents et une part de marché plus élevée. À l’échelle internationale, Xycard aux Pays-Bas, SGL en Allemagne, Toyo Tanso au Japon et MEMC aux États-Unis sont les principaux fournisseurs et monopolisent essentiellement le marché international. Cependant, la Chine a désormais dépassé la technologie de base des revêtements SiC à croissance uniforme sur la surface des substrats en graphite, et sa qualité a été vérifiée par des clients nationaux et étrangers. Dans le même temps, il présente également certains avantages compétitifs en termes de prix, qui peuvent répondre aux exigences des équipements MOCVD pour l'utilisation de substrats en graphite revêtus de SiC. 

Vetek semiconductor est engagé dans la recherche et le développement dans le domaine deRevêtements SiCdepuis plus de 20 ans. Par conséquent, nous avons lancé la même technologie de couche tampon que SGL. Grâce à une technologie de traitement spéciale, une couche tampon peut être ajoutée entre le graphite et le carbure de silicium pour augmenter la durée de vie de plus de deux fois.