一、SiC涂層石墨基座簡(jiǎn)介
在晶圓制造流程中，為了制造諸如LED發(fā)光器件等特定器件，需要在某些晶圓襯底上額外構(gòu)建外延層。例如，LED發(fā)光器件需在硅襯底上制備GaAs外延層；高壓、大電流等功率應(yīng)用所需的SBD、MOSFET等器件，則需在導(dǎo)電型SiC襯底上生長(zhǎng)SiC外延層；而用于通信等射頻應(yīng)用的HEMT等器件，則需在半絕緣型SiC襯底上構(gòu)建GaN外延層。這一系列過程均依賴于CVD（化學(xué)氣相沉積）設(shè)備。
在CVD操作中，襯底無法直接置于金屬或簡(jiǎn)單底座上進(jìn)行外延沉積，因?yàn)檫@涉及到氣體流向（包括水平和垂直方向）、溫度控制、壓力調(diào)節(jié)、襯底固定以及防止污染物脫落等多個(gè)關(guān)鍵因素。因此，必須采用特定的基座——SiC涂層石墨基座（又稱托盤），將襯底穩(wěn)妥地置于其上，再利用CVD技術(shù)進(jìn)行外延沉積。
圖1. 外延設(shè)備的碳化硅涂層石墨盤和石墨基座
(圖片素材來源：Axitron官網(wǎng)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系作者刪除)
二、SiC涂層石墨基座應(yīng)用
SiC涂層石墨基座是金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備中的核心組件，專門用于支撐和加熱單晶襯底。其熱穩(wěn)定性和熱均勻性等卓越性能，對(duì)外延材料的生長(zhǎng)質(zhì)量具有決定性影響，因此被視為MOCVD設(shè)備的不可或缺的關(guān)鍵部件。
金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)是目前進(jìn)行藍(lán)光LED中GaN薄膜外延生長(zhǎng)的主流技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)速率可控、生長(zhǎng)出的GaN薄膜純度高等優(yōu)點(diǎn)。用于GaN薄膜外延生長(zhǎng)的承載基座，作為MOCVD設(shè)備反應(yīng)腔內(nèi)重要部件，需要有耐高溫、熱傳導(dǎo)率均勻、化學(xué)穩(wěn)定性良好、較強(qiáng)的抗熱震性等優(yōu)點(diǎn)，石墨材料能滿足上述條件。
石墨基座作為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，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。
圖2. 外延設(shè)備的碳化硅涂層石墨盤和石墨基座
(圖片素材來源：西格里SGL，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系作者刪除)
三、SiC涂層石墨基座應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
雖然石墨具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率和穩(wěn)定性使其作為MOCVD設(shè)備的基座部件有很好的優(yōu)勢(shì)，但在生產(chǎn)過程中石墨會(huì)因?yàn)楦g性氣體和金屬有機(jī)物的殘留，使其發(fā)生腐蝕掉粉，石墨基座的使用壽命會(huì)大打折扣。與此同時(shí)，掉落的石墨粉體會(huì)對(duì)芯片造成污染。
涂層技術(shù)的出現(xiàn)能夠提供表面粉體固定、增強(qiáng)熱導(dǎo)率、均衡熱分布，成為了解決該問題的主要技術(shù)。石墨基座在MOCVD設(shè)備中使用環(huán)境，石墨基座表面涂層應(yīng)滿足包覆性良好、結(jié)合強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。
SiC具有耐腐蝕高熱導(dǎo)率、抗熱沖擊、高的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，能很好地在GaN外延氣氛中工作。除此之外，SiC的熱膨脹系數(shù)與石墨的熱膨脹系數(shù)相差很小，因此SiC是作為石墨基座表面涂層的首選材料。石墨基座一般經(jīng)過碳化硅涂層，碳化硅涂層是一種具有致密、耐磨損、高耐腐蝕性和耐熱性以及卓越的導(dǎo)熱性的涂層，碳化硅涂層與石墨部件緊密結(jié)合，延長(zhǎng)了石墨部件的使用壽命，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)半導(dǎo)體材料所需的高純度表面結(jié)構(gòu)。
四、SiC晶體結(jié)構(gòu)
目前常見的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最穩(wěn)定，可制造光電器件；3C-SiC因其結(jié)構(gòu)與GaN相似，可用于生產(chǎn)GaN外延層，制造SiC-GaN射頻器件。3C-SiC也通常被稱為β-SiC，β-SiC的一個(gè)重要用途就是用作薄膜和涂層材料，因此，目前β-SiC是作涂層的主要的材料。
碳化硅有兩種主要的晶型，低溫穩(wěn)定的立方晶系(β-SiC)和高溫穩(wěn)定的六方晶系(α-SiC)。其中，β-SiC是面心立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，Si和C形成互相套的面心立方結(jié)構(gòu)，沿著立方體體對(duì)角線錯(cuò)開1/4的長(zhǎng)度，Si原子處在相鄰的4個(gè)C原子構(gòu)成的正四面體中。
而α-SiC為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，C 原子為六方堆積，Si 原子處在C原子構(gòu)成的正四面體中。這種共價(jià)鍵四面體結(jié)構(gòu)決定了 SiC 晶體有很高的穩(wěn)定性，即使高溫下也有很高的強(qiáng)度。α-SiC 因其結(jié)構(gòu)單元層的不同堆垛方式衍生出 2H、4H、6H、15R等多晶型，其中工業(yè)上應(yīng)用最廣的是α-SiC-6H晶型，α-SiC-4H單晶片則多用于功率半導(dǎo)體器件的襯底材料。α-SiC-6H晶型的力學(xué)性能優(yōu)異，而α-SiC-4H晶型的絕緣性能高。
圖3. SiC的三種晶體結(jié)構(gòu)示意圖
五、實(shí)驗(yàn)部分
本實(shí)驗(yàn)采用蘇州浪聲科學(xué)儀器有限公司的FRINGE桌面式X射線衍射儀，對(duì)某半導(dǎo)體材料有限公司提供的石墨基座上SiC涂層及石墨基座上無定形碳涂層進(jìn)行物相檢測(cè)。
（1）樣品展示
圖4. 石墨基座上無定形碳涂層及石墨基座上SiC涂層實(shí)物圖
（左圖—記為無定形碳-石墨，右圖—記為SiC-石墨）
（2）分析條件
| 儀器型號(hào)：FRINGE | 靶材：Cu靶（CuKα） |
| 附件：Z軸樣品臺(tái) | 管壓/管流：30kV/20mA |
| 掃描模式：θ-θ掃描 | 測(cè)試范圍：10-70° |
| 步長(zhǎng):0.03°/step | 積分時(shí)間：400ms/step |
圖5.樣品安裝測(cè)試圖
（3）結(jié)果與結(jié)論
圖6.無定形碳-石墨的衍射圖譜及定性結(jié)果
圖7.無定形碳-石墨與石墨基座的疊加衍射圖譜
圖8. SiC-石墨的衍射圖譜及定性結(jié)果
（4）分析結(jié)果
1、采用常規(guī)對(duì)稱衍射幾何，測(cè)試過程中，樣品固定不動(dòng)，光管和探測(cè)器為θ-θ耦合，即光管轉(zhuǎn)過θ角，光管也轉(zhuǎn)過θ角。由于涂層厚度達(dá)到微米級(jí)，粉末衍射模式下測(cè)試此涂層樣品，衍射信號(hào)反饋好，可以很好滿足測(cè)試需求。
2、圖6展示了在常規(guī)粉末衍射θ-θ掃描模式下石墨基座上無定形碳涂層的衍射圖譜，可以看出尖銳的衍射峰來源于石墨，其PDF卡片號(hào)為00-056-0160。圖7展示的無定形碳-石墨與石墨基座的疊加衍射圖譜。從對(duì)比結(jié)果來看，負(fù)載無定形碳涂層的石墨（002）晶面具有不對(duì)稱峰形（“左緩右急”），同時(shí)其比石墨基座的(002)晶面的半峰寬要大很多，可以確定“無定形碳-石墨”這個(gè)樣品的石墨基座負(fù)載上了無定形碳涂層。
3、圖8展示了在常規(guī)粉末衍射θ-θ掃描模式下石墨基座上SiC碳涂層的衍射圖譜，可以看出衍射峰對(duì)應(yīng)于為面心立方結(jié)構(gòu)的3C-SiC，PDF卡片號(hào)為01-074-2307。
六、結(jié)論
使用蘇州浪聲的桌面式X射線衍射儀FRINGE，可對(duì)SiC涂層等樣品進(jìn)行晶型鑒定，能夠?yàn)椴牧系难邪l(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量管控等提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，及時(shí)調(diào)整工藝條件，獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。
