Графитовые токоприемники для эпитаксии кремния и SiC

1. Что такое графитовые токоприемники для эпитаксии кремния и SiC?

Прежде чем углубляться в графитовые токоприемники, важно понять контекст эпитаксии. Эпитаксия (от греческого epi, означающего «на» и taxis, означающего «расположение») — это процесс выращивания тонкой кристаллической пленки на подложке таким образом, чтобы кристаллическая структура пленки совпадала с кристаллической структурой подложки. Этот метод позволяет создавать высококонтролируемые слои с определенными электрическими и оптическими свойствами.

Кремниевая эпитаксия: в основном используется для изготовления силовых устройств, биполярных транзисторов и интегральных схем. Она позволяет создавать слаболегированные слои на сильнолегированных подложках, улучшая производительность устройства.

Эпитаксия из карбида кремния (SiC): необходима для мощных, высокочастотных и высокотемпературных электронных устройств. Широкая запрещенная зона SiC и превосходные свойства материала требуют высокоточного и контролируемого эпитаксиального роста.

2. Роль графитового токоприемника:

Графитовый токоприемник играет многогранную роль в эпитаксии Si и SiC:

Поддержка пластины: обеспечивает стабильную и ровную платформу для удержания кремниевых или SiC-пластин во время процесса высокотемпературного роста.

Нагрев: эффективно поглощает энергию (обычно индукционный ВЧ-нагрев или резистивный нагрев) и передает ее пластине, поддерживая необходимую температуру для эпитаксиального осаждения.

Равномерность температуры: обеспечивает равномерное распределение температуры по поверхности пластины. Это жизненно важно для достижения равномерных скоростей роста и толщины слоя по всей пластине.

Управление потоком газа: геометрия токоприемника может влиять на характер потока газа вокруг пластины, влияя на процесс осаждения и однородность.

Контроль газовыделения: графитовые токоприемники можно обрабатывать для минимизации газовыделения примесей при высоких температурах, предотвращая загрязнение эпитаксиального слоя.

Управление напряжением: конструкция и свойства материала токоприемника могут влиять на напряжение, создаваемое в растущем эпитаксиальном слое, что особенно важно для эпитаксии SiC.

3. Требования к графитовым токоприемникам:

Для эффективного выполнения своих функций графитовые токоприемники должны соответствовать строгому набору требований:

Высокая чистота: низкий уровень примесей (например, металлов, серы, галогенов) имеет решающее значение для предотвращения загрязнения эпитаксиального слоя и обеспечения желаемых электрических свойств. Обычно используется графит высокой чистоты.

Высокая теплопроводность: эффективно передает тепло пластине и способствует равномерности температуры.

Высокая температурная стабильность: сохраняет свою структурную целостность и свойства при повышенных температурах, необходимых для эпитаксии (обычно 1000–1200 °C для Si и 1500–1700 °C для SiC).

Низкий коэффициент теплового расширения (КТР): соответствие КТР кремниевой или SiC-пластины минимизирует напряжение во время циклов нагрева и охлаждения, уменьшая коробление пластины и образование дефектов. Соответствие КТР более критично для эпитаксии SiC из-за более высоких температур процесса.

Отличная обрабатываемость: позволяет создавать сложные геометрии, необходимые для оптимального потока газа и однородности температуры.

Химическая инертность: устойчив к реакции с исходными газами, используемыми в эпитаксиальном процессе (например, силан, дихлорсилан для Si; силан, пропан для SiC).

Минимальное газовыделение: низкое давление паров при высоких температурах сводит к минимуму выделение загрязняющих веществ, которые могут ухудшить качество эпитаксиального слоя.

Электропроводность: требуется для индукционного нагрева ВЧ.

Отделка поверхности: гладкая отделка поверхности способствует равномерному контакту с пластиной и минимизирует образование частиц.

Длительный срок службы: устойчивость к деградации при повторяющихся циклах нагрева и охлаждения снижает эксплуатационные расходы.

4. Типы используемого графита:

Изостатический графит: наиболее распространенный тип, используемый для токоприемников из-за его высокой чистоты, однородности и изотропных свойств (однородные свойства во всех направлениях). Он производится путем сжатия графитового порошка во всех направлениях одновременно.

Мелкозернистый графит: обеспечивает более гладкую поверхность и часто предпочтителен для применений, требующих жестких допусков.

5. Поверхностные покрытия:

Графитовые токоприемники часто покрываются различными материалами для улучшения их характеристик:

Покрытие из карбида кремния (SiC): обычно используется для создания химически инертной и стабильной поверхности, которая предотвращает диффузию углерода в эпитаксиальный слой, особенно для эпитаксии SiC. Также повышает устойчивость к окислению.

Покрытие из пиролитического графита (PG): обеспечивает высокоориентированный графитовый слой с превосходной теплопроводностью и низким газовыделением.

Покрытие из пиролитического нитрида бора (PBN): обеспечивает исключительную химическую инертность и устойчивость к окислению при высоких температурах.

Другие покрытия: в зависимости от конкретного применения могут использоваться другие покрытия, такие как тугоплавкие металлы (например, вольфрам) или керамика.

6. Конструктивные соображения:

Конструкция токоприемника имеет решающее значение для оптимизации однородности температуры и потока газа. Факторы, которые следует учитывать, включают:

Форма и геометрия: Форма токоприемника (например, плоская, утопленная, рифленая) и наличие таких особенностей, как щели или каналы, влияют на характер потока газа и распределение температуры.

Конструкция кармана для пластины: Конструкция кармана, в котором находится пластина, влияет на тепловой контакт между пластиной и токоприемником.

Конфигурация нагрева: Метод нагрева (например, индукция ВЧ, резистивный нагрев) и размещение нагревательных элементов влияют на температурный профиль токоприемника.

Свойства материала токоприемника: Теплопроводность, КТР и другие свойства материала влияют на общую производительность токоприемника.

7. Проблемы и будущие тенденции:

Достижение более высокой однородности: соответствие все более строгим требованиям однородности для пластин большого диаметра представляет собой серьезную проблему.

Сокращение дефектов: минимизация плотности дефектов в эпитаксиальном слое требует тщательного контроля всех аспектов процесса эпитаксии, включая конструкцию токоприемника и качество материала.

Сокращение затрат: улучшение срока службы и производительности токоприемников может помочь снизить общие производственные затраты.

Усовершенствованные покрытия: продолжаются исследования новых и улучшенных покрытий для дальнейшего повышения производительности и долговечности графитовых токоприемников.

Моделирование: вычислительная гидродинамика (CFD) и конечно-элементный анализ (FEA) все чаще используются для оптимизации конструкции токоприемника и прогнозирования его производительности.