研发报告详细内容

AFTech:创造杀手级涂层

      材料来源:化合物半导体

用于 MOCVD 反应器中极其昂贵的石墨部件的新涂层将大幅削减 SiC 外延的成本。 Rebecca Pool 与 AFTech 的研究主管 Zoe Tolkien 进行了交谈,他正在实现这一目标。

 

今年早些时候,总部位于英国的 MOCVD 服务提供商 Advanced Furnace Technology 从英国研究与创新 (UKRI) 那里获得了超过 100 万英镑的资金,用于为鲜为人知但价格昂贵的石墨部件开发一种新型涂层方法,有助于外延晶片的生长。

 

从晶圆载体和排气收集器到天花板和接收器,MOCVD 反应器中的石墨“家具”都涂有高度稳定的 SiC,以防止晶圆污染。但是,虽然 SiC 涂层适用于大多数 III-V 半导体外延片生产,但在使用 SiC 材料时会出现问题。

 

根据 AFTech 研究总监 Zoe Tolkien 的说法,碳化硅涂层石墨内部家具是所有 MOCVD 工艺不可或缺的一部分,因为它可以承受快速的辐射热循环而不会开裂。此外,清洁这些昂贵的部件以延长使用寿命对于降低制造成本至关重要。

 

“经过几次运行后, GaN 晶片的制造商将这些部件打包并发送给我们,以便我们可以对其进行清洁 - 这对我们来说已经成为一项蓬勃发展的业务,”她说。 “但是清除碳化硅涂层部件上的碳化硅沉积物同时保持涂层完整是很困难的。”

 

“据我们所知,没有人能够为高产量、高产量的 SiC 商业工艺做到这一点——你最终也只是将涂层清洗掉,这意味着部件需要重新涂层,”她解释道。 “因此,碳化硅涂层对于碳化硅外延生长来说并不实用。”

 

但碳化钽可以提供答案。金属碳化物作为石墨涂层已经引起了全世界的兴趣。它提供高度均匀的涂层,在 SiC 的极端外延生长温度下稳定,可以抑制杂质从石墨部件迁移并延长石墨部件寿命。

 

AFTech 的碳化钽团队从左到右:Paulina Kocyk、Paul Tolkien、Zoe Tolkien、Tony Hayden、Sandra Nechibvute、Graham Gurry。


事实上,今年 6 月,美国行业分析师 Persistence Market Research 估计,未来十年石墨市场的 TaC 涂层将以 5% 的复合年增长率增长,主要参与者来自日本、韩国和台湾。尽管如此,问题仍然存在。

 

TaC 涂层和石墨表面之间的热应力通常会导致涂层从基材上分层,从而降低这些石墨部件的使用寿命,而Aixtron目前正试图解决这个问题。正如 UKRI 关于 AFTech 项目的报告中所详述的那样,来自Aixtron 韩国和美国供应商的零件出现分层,导致反应堆制造商向 AFTech 寻求解决方案。

 

正如Tolkien 所说:“我们不是这里的第一个创新者,我们的客户已经有了供应商,但他们想要一个额外的具有 CVD 专业知识的供应商……所以我们将优化沉积工艺。”

 

在接下来的四年里,Tolkien 及其同事将研究如何最好地用 TaC 涂覆石墨部件,以减少热应力、防止分层并将寿命延长 50%。目前,他们正在 AFTech 的实验室 CVD 器件中试验反应气体的质量流量比。

 

总体思路是随着层沉积在石墨上以在整个涂层上产生 TaC 梯度,增加反应气体的这一比率。最初的富碳层将与石墨基材的热膨胀系数更加匹配,从而减少分层的机会。同时,富含金属碳化物的外部层将为 SiC 外延提供至关重要的稳定性。

 

碳化钽实验 CVD 炉室。


Tolkien 还打算扩大 TaC 沉积工艺的规模,为商业化做好准备。 “规模从来都不是线性的,将有大量的实验工作来达到 [大规模] 的高产量点——创新将体现在我们的方法和仔细的过程控制中,”她说, “如果我们能够克服热系数不匹配的问题,我们就会出现分层裂纹,并能够延长这些部件的使用寿命。”

 

假设项目成功,那么 AFTech 的未来将非常光明。无分层 TaC 涂层石墨工艺将首先让这家总部位于剑桥的公司为 MOCVD 反应器制造必要的内部器件,这些器件将由世界领先的供应商销售。届时,该公司还将在快速扩张的 SiC 半导体供应链中占据关键地位。

 

“最终,我们希望我们能够提高 SiC 半导体市场的外延片生长效率,”Tolkien说。 “我们是一家小公司,但希望为碳化硅器件的升级做出贡献,碳化硅器件对能源效率和碳净零排放非常重要。 在我看来,效率正在通过供应链的创新来实现,我们希望能成为其中的一部分。”

 

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