半导体制造装置之SiC涂层石墨基座介绍

据日经中文网消息，东洋炭素将在全球增产用于半导体制造装置核心零部件。除在美国和中国强化工厂外，该公司还将开始在意大利生产，加上在日本的增产投资，到2027年将合计投资360亿日元。其在承载碳化硅晶圆的托盘（基座）、被称为“Susceptor”的核心零部件领域拥有全球5成以上份额。 那么，这个承载晶圆的托盘到底是什么？   在晶圆制造过程中，一些晶圆衬底上要进一步构建外延层以便于制造器件，典型的有LED发光器件，需要在硅衬底上面制备GaAs的外延层；在导电型的SiC衬底上面生长SiC外延层用于构建诸如SBD、MOSFET等的器件，用于高压、大电流等功率应用；在半绝缘型的SiC衬底上面构建GaN外延层，进一步构造HEMT等器件，用于通信等射频应用。这个这个过程中离不开CVD设备。   在CVD设备中，衬底是不能直接放在金属或者简单的放置在某个底座上面进行外延沉积，因为其中涉及到气体流向（水平、垂直）、温度、压力、固定、脱落污染物等各方面的影响因素。因此需要用到一个基座，然后将衬底放置在盘上，然后再利用CVD技术在衬底上面进行外延沉积，这个基座就是SiC涂层石墨基座（又可以叫做托盘）。  

SiC涂层石墨基座常用于金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备中支撑和加热单晶衬底的部件。SiC涂层石墨基座的热稳定性、热均匀性等性能参数对外延材料生长的质量起到决定性作用，因此是MOCVD设备的核心关键部件。   金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术是目前进行蓝光LED中GaN薄膜外延生长的主流技术，具有操作简单、生长速率可控、生长出的GaN薄膜纯度高等优点。用于GaN薄膜外延生长的承载基座，作为MOCVD设备反应腔内重要部件，需要有耐高温、热传导率均匀、化学稳定性良好、较强的抗热震性等优点，石墨材料能满足上述条件。  

来源：TOYO TASON

石墨基座作为MOCVD设备中的核心零部件之一，是衬底基片的承载体和发热体，直接决定薄膜材料的均匀性和纯度，因此它的品质直接影响了外延片的制备，同时随着使用次数增加、工况环节变化，又极容易损耗，属于耗材。   虽然石墨具有优异的热导率和稳定性使其作为MOCVD设备的基座部件有很好的优势，但在生产过程中石墨会因为腐蚀性气体和金属有机物的残留，使其发生腐蚀掉粉，石墨基座的使用寿命会大打折扣。与此同时，掉落的石墨粉体会对芯片造成污染。   涂层技术的出现能够提供表面粉体固定、增强热导率、均衡热分布，成为了解决该问题的主要技术。

石墨基座在MOCVD设备中使用环境，石墨基座表面涂层应满足如下特点：   （1）能够对石墨基座进行全面包裹，并且致密性好，否则石墨基座在腐蚀气体中容易被腐蚀。 （2）与石墨基座结合强度高，保证在经历多次高温低温循环后，涂层不易脱落。 （3）具有较好的化学稳定性，避免涂层在高温且具有腐蚀性的气氛中失效。  

SiC具有耐腐蚀高热导率、抗热冲击、高的化学稳定性等优点，能很好地在GaN外延气氛中工作。除此之外，SiC的热膨胀系数与石墨的热膨胀系数相差很小，因此SiC是作为石墨基座表面涂层的首选材料。   目前常见的SiC主要是3C、4H以及6H型，不同晶型的SiC用途不同。如4H-SiC可制造大功率器件；6H-SiC最稳定，可制造光电器件；3C-SiC因其结构与GaN相似，可用于生产GaN外延层，制造SiC-GaN射频器件。3C-SiC也通常被称为β-SiC，β-SiC的一个重要用途就是用作薄膜和涂层材料，因此，目前β-SiC是作涂层的主要的材料。

碳化硅涂层制备方法

目前，SiC涂层的制备方法主要有凝胶-溶胶法、包埋法、刷涂法、等离子喷涂法、化学气相反应法(CVR)和化学气相沉积法(CVD)。

包埋法

该方法是高温固相烧结的一种，主要是以Si粉和C粉混合作为包埋粉，将石墨基体置于包埋粉中，在惰性气体中进行高温烧结，最终在石墨基体表面得到SiC涂层。该法工艺简单，且涂层与基体之间结合比较好，但沿着厚度方向涂层均匀性较差，易产生较多孔洞导致抗氧化性较差。

刷涂法

刷涂法主要是将液态原料涂刷在石墨基体表面，然后在一定的温度下原料固化，制备出涂层。该法工艺简单而且成本较低，但是刷涂法制备出的涂层与基体的结合较弱，涂层均匀性较差，涂层较薄且抗氧化性较低，需要其他方法进行辅助。

等离子喷涂法

等离子喷涂法主要是等离子枪将熔化或者半融化状态的原料喷射在石墨基体表面，然后凝固粘结形成涂层。该方法操作简单，可以制备出较为致密的碳化硅涂层，但该方法所制备的碳化硅涂层往往因为过于薄弱而导致抗氧化性不强，因此一般用于SiC复合涂层的制备以提高涂层的质量。

凝胶-溶胶法

凝胶-溶胶法主要是制备出均匀透明的溶胶溶液覆盖在基体表面，干燥成凝胶后进行烧结得到涂层。该法操作简单、成本较低，但制备出的涂层存在抗热震性较低、容易开裂等缺点，无法广泛使用。

化学气相反应法（CVR）

CVR主要是通过利用Si和SiO2粉在高温下生成SiO蒸汽，在C材料基体表面发生一系列化学反应，从而生成SiC涂层。该法制备出的SiC涂层与基体之间结合较为紧密，但是反应温度较高，成本也较高。

化学气相沉积法（CVD）

CVD是目前制备基体表面SiC涂层的主要技术，主要过程是气相反应物原料在基体表面发生一系列的物理化学反应，最后在基体表面沉积制备得到SiC涂层。CVD技术制备的SiC涂层与基体表面结合紧密，能有效提高基体材料的抗氧化性以及抗烧蚀性，但该法沉积时间较长，反应气体存在一定的毒气。

SiC涂层石墨基座的市场情况

国外厂商起步较早时，领先优势明显，市场占有率高。国际上，SiC涂层石墨基座主流供应商有荷兰Xycard、德国西格里碳素（SGL）、日本东洋碳素、美国MEMC等企业，基本占据了国际市场。尽管我国已突破石墨基体表面均匀生长SiC涂层的关键核心技术，但高质量的石墨基体依然依赖德国SGL、日本东洋碳素等企业，国内企业提供的石墨基体由于热导率、弹性模量、刚性模量、晶格缺陷等质量问题影响使用寿命，尚不能满足MOCVD设备对SiC涂层石墨基座的使用要求。

  我国半导体产业发展迅速，随着MOCVD外延设备国产化率逐步提高，及其他工艺应用扩展，未来SiC涂层石墨基座产品市场有望快速增长。据业内人士初步估计，国内石墨基座未来几年市场将超过 5亿元。   SiC涂层石墨基座作为化合物半导体产业化设备的核心部件，掌握其生产制造的关键核心技术，实现原材料—工艺—设备全产业链国产化，对于保障我国半导体产业发展具有重要战略意义。国产SiC涂层石墨基座领域方兴未艾，产品质量达到国际先进水平指日可待。    

编辑：黄飞