SiC涂層石墨基座簡(jiǎn)介
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2022-07-28
SiC涂層石墨基座是什么
在介紹SiC涂層石墨基座前，我們需要知道它是用在哪里的。我們知道在一些晶圓襯底之上需要進(jìn)一步的構(gòu)建外延層以便于制造器件，典型的有LED發(fā)光器件，需要在硅襯底上面制備GaAs的外延層；在導(dǎo)電型的SiC襯底上面生長(zhǎng)SiC外延層用于構(gòu)建諸如SBD、MOSFET等的器件，用于高壓、大電流等功率應(yīng)用；在半絕緣型的SiC襯底上面構(gòu)建GaN外延層，進(jìn)一步構(gòu)造HEMT等器件，用于通信等射頻應(yīng)用。這里就需要用到用到一種CVD設(shè)備（當(dāng)然還有其他的技術(shù)方法）。
金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）是將Ⅲ、Ⅱ族元素和V、Ⅵ族元素等作為生長(zhǎng)源材料，通過(guò)熱分解反應(yīng)方式在襯底表面進(jìn)行沉積，生長(zhǎng)各種Ⅲ-V族（GaN、GaAs等）、Ⅱ-Ⅵ族（Si、SiC等）以及多元固溶體的薄層單晶材料，是生產(chǎn)光電器件、微波器件、功率器件材料的主要手段。
在CVD設(shè)備中，襯底不能直接放在金屬或者簡(jiǎn)單的放置在某個(gè)底座上面進(jìn)行外延沉積，因?yàn)槠渲猩婕暗綒怏w流向（水平、垂直）、溫度、壓力、固定、脫落污染物等各方面的影響因素。因此需要用到一個(gè)基座，然后將襯底放置在盤(pán)上，然后再利用CVD技術(shù)在襯底上面進(jìn)行外延沉積。這個(gè)基座就是SiC涂層石墨基座（又可以叫做托盤(pán)）。
石墨基座是MOCVD設(shè)備中的核心零部件之一，是襯底基片的承載體和發(fā)熱體，它熱穩(wěn)定性、熱均勻性等性能參數(shù)對(duì)外延材料生長(zhǎng)的質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用，直接決定薄膜材料的均勻性和純度，因此它的品質(zhì)直接影響了外延片的制備，同時(shí)隨著使用次數(shù)增加、工況環(huán)節(jié)變化，又極容易損耗，屬于耗材。
石墨優(yōu)異的熱導(dǎo)率和穩(wěn)定性使得其在作為MOCVD設(shè)備的基座部件中有很好的優(yōu)勢(shì)。但是如果僅僅只是純石墨的話(huà)，也會(huì)面臨一些問(wèn)題。在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有腐蝕性氣體和金屬有機(jī)物的殘留，石墨基座會(huì)出現(xiàn)腐蝕掉粉現(xiàn)象，大大降低石墨基座的使用壽命，同時(shí)掉落的石墨粉體也會(huì)對(duì)芯片造成污染，所以在基座的制備過(guò)程中還需要解決這些的問(wèn)題。
涂層技術(shù)能夠提供表面粉體固定、增強(qiáng)熱導(dǎo)率、均衡熱分布，成為了解決該問(wèn)題的主要技術(shù)。根據(jù)石墨基座的應(yīng)用環(huán)境和使用要求，表面涂層應(yīng)具備以下幾方面的特性:
高致密度和全包裹：石墨基座整體處于高溫、腐蝕性的工作環(huán)境中，表面必須全包裹，同時(shí)涂層要具備良好的致密性，才起到良好的保護(hù)作用。
良好的表面平整度：由于單晶生長(zhǎng)所用的石墨基座要求表面平整度非常高，涂層制備完畢后要保持基座原有的平整度，即涂層面必須均勻一致。
良好的結(jié)合強(qiáng)度：減小石墨基座和涂層材料之間的熱膨脹系數(shù)差異，可有效提高兩者間的結(jié)合強(qiáng)度，在經(jīng)歷高低溫?zé)嵫h(huán)之后，涂層不易開(kāi)裂。
高的熱導(dǎo)率：高質(zhì)量的芯片生長(zhǎng)需要石墨基座提供快速且均勻的熱量，因此涂層材料應(yīng)具備高的熱導(dǎo)率。
高熔點(diǎn)、高溫抗氧化、抗腐蝕性：涂層應(yīng)在高溫、腐蝕性的工作環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作。
石墨涂層材料的選擇
常用的防護(hù)涂層材料主要有以下幾種：
玻璃涂層：B2O3、P2O5、ZnO等；
陶瓷涂層：SiC、ZrB2、BN等；
金屬涂層：Pt、Ir、Hf、Mo等；
SiC具有高的熱力學(xué)穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱性、高的電子遷移率、抗氧化、耐腐蝕、與石墨材料相近的熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)異性能，是石墨基座表面涂層的重要材料。
SiC根據(jù)C原子和Si原子結(jié)合疊層的方式可以分為可分為立方結(jié)構(gòu)（C）、六方結(jié)構(gòu)（H）和菱面結(jié)構(gòu)（R），如2H-SiC，3C-SiC，4H-SiC，6H-SiC和15R-SiC等，較為常見(jiàn)的可以歸納為以下兩大類(lèi)：
α-SiC：4H-SiC、6H-SiC
β-SiC：3C-SiC；
β-SiC具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
合成溫度較低，一般為1000~1600℃，晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于金剛石，而α-SiC要在2000℃以上才能制備，具有六角纖維鋅礦結(jié)構(gòu)。
具有更高的熱導(dǎo)率、耐磨損、抗腐蝕性等，這些方面優(yōu)于α-SiC。
因此在β-SiC高溫和有腐蝕性氣體的工作環(huán)境中具有更優(yōu)異的表現(xiàn)，成為了石墨基座表面涂層的重要材料。
文章來(lái)源：知乎
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