Chất nhạy cảm than chì phủ SiC là gì?

Hình 1. Chất nhạy cảm than chì được phủ SiC

1. Lớp epitaxy và thiết bị của nó

Trong quá trình sản xuất wafer, chúng ta cần xây dựng thêm lớp epiticular trên một số chất nền wafer để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo thiết bị. Epitaxy đề cập đến quá trình phát triển một tinh thể đơn mới trên một chất nền tinh thể duy nhất đã được xử lý cẩn thận bằng cách cắt, mài và đánh bóng. Đơn tinh thể mới có thể là vật liệu giống như chất nền hoặc một vật liệu khác (đồng trục hoặc dị thể). Do lớp tinh thể đơn mới phát triển dọc theo pha tinh thể nền nên nó được gọi là lớp epiticular và việc chế tạo thiết bị được thực hiện trên lớp epitaxy. 

Ví dụ, mộtepiticular GaAslớp được chuẩn bị trên đế silicon cho các thiết bị phát sáng LED; Mộtepiticular SiClớp được phát triển trên đế SiC dẫn điện để xây dựng SBD, MOSFET và các thiết bị khác trong các ứng dụng nguồn; lớp epiticular GaN được xây dựng trên đế SiC bán cách điện để tiếp tục sản xuất các thiết bị như HEMT trong các ứng dụng tần số vô tuyến như thông tin liên lạc. Các thông số như độ dày của vật liệu epiticular SiC và nồng độ chất mang nền trực tiếp xác định các tính chất điện khác nhau của thiết bị SiC. Trong quá trình này, chúng tôi không thể thực hiện được nếu không có thiết bị lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Hình 2. Các chế độ tăng trưởng màng epiticular

2. Tầm quan trọng của chất nhạy cảm than chì được phủ SiC trong thiết bị CVD

Trong thiết bị CVD, chúng ta không thể đặt chất nền trực tiếp lên kim loại hay đơn giản là trên đế để lắng đọng epiticular, vì nó liên quan đến nhiều yếu tố như hướng dòng khí (ngang, dọc), nhiệt độ, áp suất, sự cố định và chất gây ô nhiễm. Vì vậy, chúng ta cần sử dụng một chất nhạy cảm (người vận chuyển wafer) để đặt chất nền lên khay và sử dụng công nghệ CVD để thực hiện lắng đọng epiticular trên đó. Chất nhạy cảm này là chất nhạy cảm than chì được phủ SiC (còn gọi là khay).

2.1 Ứng dụng chất cảm ứng than chì phủ SiC trong thiết bị MOCVD

Chất nhạy cảm với than chì được phủ SiC đóng vai trò quan trọng trongthiết bị lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD)để hỗ trợ và làm nóng các chất nền đơn tinh thể. Độ ổn định nhiệt và tính đồng nhất nhiệt của chất nhạy cảm này có ý nghĩa quyết định đến chất lượng của vật liệu epiticular nên nó được coi là thành phần cốt lõi không thể thiếu trong thiết bị MOCVD. Công nghệ lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong quá trình tăng trưởng epiticular của màng mỏng GaN trong đèn LED màu xanh vì nó có ưu điểm là vận hành đơn giản, tốc độ tăng trưởng có thể kiểm soát và độ tinh khiết cao.

Là một trong những thành phần cốt lõi của thiết bị MOCVD, chất nhạy cảm than chì bán dẫn Vetek có nhiệm vụ hỗ trợ và làm nóng các chất nền đơn tinh thể, ảnh hưởng trực tiếp đến tính đồng nhất và độ tinh khiết của vật liệu màng mỏng, do đó có liên quan đến chất lượng chuẩn bị của tấm wafer epiticular. Khi số lần sử dụng tăng lên và môi trường làm việc thay đổi, chất nhạy cảm với than chì dễ bị mòn và do đó được phân loại là vật tư tiêu hao.

2.2. Đặc điểm của chất nhạy cảm than chì phủ SIC

Để đáp ứng nhu cầu của thiết bị MOCVD, lớp phủ cần thiết cho chất nhạy cảm than chì phải có các đặc tính riêng để đáp ứng các tiêu chuẩn sau:

✔  Độ che phủ tốt: Lớp phủ SiC phải bao phủ hoàn toàn bộ phận cảm ứng và có mật độ cao để tránh hư hỏng trong môi trường khí ăn mòn.

✔  Độ bền liên kết cao: Lớp phủ phải được liên kết chắc chắn với chất nhạy cảm và không dễ rơi ra sau nhiều chu kỳ nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp.

✔  Ổn định hóa học tốt: Lớp phủ phải có độ ổn định hóa học tốt để tránh hư hỏng ở nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn.

2.3 Những khó khăn và thách thức trong việc kết hợp vật liệu than chì và cacbua silic

Cacbua silic (SiC) hoạt động tốt trong môi trường epiticular GaN nhờ các ưu điểm như chống ăn mòn, dẫn nhiệt cao, chống sốc nhiệt và ổn định hóa học tốt. Hệ số giãn nở nhiệt của nó tương tự như than chì, khiến nó trở thành vật liệu được ưa chuộng để làm lớp phủ nhạy cảm với than chì.

Tuy nhiên, sau tất cả,than chìVàcacbua silicLà hai vật liệu khác nhau, vẫn sẽ có trường hợp lớp phủ có tuổi thọ ngắn, dễ bong tróc và tăng chi phí do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. 

3. Công nghệ phủ SiC

3.1. Các loại SiC phổ biến

Hiện nay, các loại SiC phổ biến bao gồm 3C, 4H và 6H, các loại SiC khác nhau phù hợp cho các mục đích khác nhau. Ví dụ, 4H-SiC phù hợp để sản xuất các thiết bị công suất cao, 6H-SiC tương đối ổn định và có thể được sử dụng cho các thiết bị quang điện tử, và 3C-SiC có thể được sử dụng để chuẩn bị các lớp epiticular GaN và sản xuất các thiết bị SiC-GaN RF do cấu trúc tương tự như GaN. 3C-SiC còn thường được gọi là β-SiC, chủ yếu được sử dụng cho màng mỏng và vật liệu phủ. Vì vậy, β-SiC hiện là một trong những vật liệu chính cho lớp phủ.

3.2 .Lớp phủ cacbua silicphương pháp chuẩn bị

Có nhiều lựa chọn để chuẩn bị lớp phủ silicon cacbua, bao gồm phương pháp gel-sol, phương pháp phun, phương pháp phun chùm tia ion, phương pháp phản ứng hơi hóa học (CVR) và phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD). Trong số đó, phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) hiện là công nghệ chính để chế tạo lớp phủ SiC. Phương pháp này lắng đọng lớp phủ SiC trên bề mặt chất nền thông qua phản ứng pha khí, có ưu điểm là liên kết chặt chẽ giữa lớp phủ và chất nền, cải thiện khả năng chống oxy hóa và chống mài mòn của vật liệu nền.

Phương pháp thiêu kết ở nhiệt độ cao, bằng cách đặt chất nền than chì vào bột nhúng và thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường trơ, cuối cùng tạo thành lớp phủ SiC trên bề mặt chất nền, được gọi là phương pháp nhúng. Mặc dù phương pháp này đơn giản và lớp phủ liên kết chặt chẽ với nền, nhưng tính đồng nhất của lớp phủ theo chiều dày kém và dễ xuất hiện các lỗ, làm giảm khả năng chống oxy hóa.

✔  Phương pháp phunliên quan đến việc phun nguyên liệu thô dạng lỏng lên bề mặt chất nền than chì, sau đó hóa rắn nguyên liệu thô ở nhiệt độ cụ thể để tạo thành lớp phủ. Mặc dù phương pháp này có chi phí thấp nhưng lớp phủ liên kết yếu với chất nền và lớp phủ có độ đồng đều kém, độ dày mỏng và khả năng chống oxy hóa kém và thường cần phải xử lý bổ sung.

✔  Công nghệ phun tia ionsử dụng súng bắn tia ion để phun vật liệu nóng chảy hoặc nóng chảy một phần lên bề mặt chất nền than chì, sau đó vật liệu này đông cứng lại và liên kết để tạo thành lớp phủ. Mặc dù thao tác đơn giản và có thể tạo ra lớp phủ silicon cacbua tương đối dày đặc, nhưng lớp phủ này dễ bị vỡ và có khả năng chống oxy hóa kém. Nó thường được sử dụng để chuẩn bị lớp phủ composite SiC chất lượng cao.

✔ Phương pháp Sol-gel, phương pháp này bao gồm việc chuẩn bị một dung dịch sol đồng nhất và trong suốt, bôi nó lên bề mặt chất nền, sau đó sấy khô và thiêu kết để tạo thành một lớp phủ. Mặc dù vận hành đơn giản và chi phí thấp nhưng lớp phủ đã chuẩn bị có khả năng chống sốc nhiệt thấp và dễ bị nứt nên phạm vi ứng dụng của nó bị hạn chế.

✔ Công nghệ phản ứng hơi hóa học (CVR): CVR sử dụng bột Si và SiO2 để tạo ra hơi SiO và tạo thành lớp phủ SiC bằng phản ứng hóa học trên bề mặt nền vật liệu carbon. Mặc dù có thể chuẩn bị một lớp phủ liên kết chặt chẽ nhưng cần nhiệt độ phản ứng cao hơn và chi phí cao.

✔  Lắng đọng hơi hóa học (CVD): CVD hiện là công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất để chuẩn bị lớp phủ SiC và lớp phủ SiC được hình thành bởi các phản ứng pha khí trên bề mặt chất nền. Lớp phủ được điều chế bằng phương pháp này liên kết chặt chẽ với chất nền, giúp cải thiện khả năng chống oxy hóa và chống mài mòn của chất nền, nhưng cần thời gian lắng dài và khí phản ứng có thể độc hại.

Hình 3. Sơ đồ lắng đọng hơi hóa học

4. Cạnh tranh thị trường vàChất bán dẫn Veteksự đổi mới công nghệ của

Trên thị trường chất nền than chì phủ SiC, các nhà sản xuất nước ngoài đã bắt đầu sớm hơn, với lợi thế dẫn đầu rõ ràng và thị phần cao hơn. Trên bình diện quốc tế, Xycard ở Hà Lan, SGL ở Đức, Toyo Tanso ở Nhật Bản và MEMC ở Hoa Kỳ là những nhà cung cấp chính thống và về cơ bản họ độc quyền thị trường quốc tế. Tuy nhiên, Trung Quốc hiện đã vượt qua công nghệ cốt lõi là phủ SiC phát triển đồng đều trên bề mặt than chì và chất lượng của nó đã được khách hàng trong và ngoài nước kiểm chứng. Đồng thời, nó cũng có những lợi thế cạnh tranh nhất định về giá cả, có thể đáp ứng yêu cầu của thiết bị MOCVD về sử dụng chất nền than chì phủ SiC. 

Chất bán dẫn Vetek đã tham gia nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vựclớp phủ SiCtrong hơn 20 năm. Vì vậy, chúng tôi đã đưa ra công nghệ lớp đệm tương tự như SGL. Thông qua công nghệ xử lý đặc biệt, một lớp đệm có thể được thêm vào giữa than chì và cacbua silic để tăng tuổi thọ sử dụng lên hơn hai lần.