Graphite de haute pureté - un consommable clé dans le domaine des semi-conducteurs de troisième génération
Avec la production en série progressive de substrats conducteurs en SiC, les exigences en matière de stabilité et de reproductibilité du procédé s'accroissent. À terme, nous devrons relever le défi d'une croissance rapide, d'une épaisseur et d'une hauteur croissantes. Outre l'amélioration des théories et des techniques, nous aurons également besoin de matériaux de support plus performants pour la gestion des champs thermiques. Le graphite de haute pureté, grâce à sa résistance aux hautes températures, sa bonne conductivité électrique et sa stabilité chimique, est devenu un matériau clé dans le domaine des semi-conducteurs.
Support en graphite de haute pureté
Actuellement, la méthode PVT (Pulse, Vortex, Température) est la plus courante pour la croissance de monocristaux de carbure de silicium à l'échelle industrielle. Cette méthode utilise une bobine d'induction pour chauffer l'élément chauffant en graphite haute densité, chauffé par courants de Foucault. La poudre de carbure de silicium (SiC) est placée au fond d'un creuset en graphite. Un germe cristallin de SiC est inséré à l'intérieur du couvercle du creuset, à une certaine distance de la surface de la matière première. L'ensemble creuset-cristaux est ensuite placé dans l'élément chauffant en graphite. La matière première, le carbure de silicium, est ainsi positionnée dans la zone de haute température grâce au réglage de la température d'un feutre de graphite externe. Le germe cristallin de SiC se trouve, quant à lui, dans la zone de basse température.
Dans ce procédé, la zone composée du creuset et du matériau isolant environnant est cruciale pour la croissance des monocristaux de SiC ; on l'appelle la zone de champ chaud. Actuellement, les fours internationaux de croissance de monocristaux de SiC utilisent une technologie de chauffage à moyenne fréquence. Cette technologie permet à la chambre de croissance d'atteindre des températures très élevées (jusqu'à 3 000 °C). À ces températures élevées, le graphite et les produits dérivés résistent et ne réagissent pas avec le SiC pour se sublimer. Par conséquent, le creuset et les matériaux isolants utilisés pour la croissance du SiC doivent être composés de graphite et de matériaux carbonés de haute pureté. Cette haute pureté est essentielle pour le graphite semi-conducteur, et particulièrement lors de la croissance cristalline. Les impuretés présentes dans le graphite sont un facteur déterminant de la qualité des cristaux et leur teneur doit être inférieure à 5 parties par million.
Défauts du graphite poreux
La croissance de cristaux de SiC est complexe, caractérisée par un cycle de recherche et développement long et coûteux. Réduire ces coûts, accélérer les progrès de la recherche et du développement et améliorer la qualité des cristaux constituent un enjeu majeur pour le développement de l'industrie. Ces dernières années, l'introduction de graphite poreux (GP) a permis d'améliorer significativement la qualité de la croissance cristalline, et l'intégration de plaques de graphite poreux dans les fours de croissance de cristaux de SiC représente un axe de recherche important.
(un)four à cristal long traditionnel，（b）Four à cristal long à plaque de graphite poreux
L'université Dongui de Corée du Sud mentionne dans son article que l'insertion d'une plaque de graphite poreux au-dessus de la poudre de SiC permet un bon transfert de masse au niveau du cristal, ce qui améliore divers problèmes techniques inhérents aux fours à cristaux longs traditionnels. L'étude a démontré que l'utilisation du graphite poreux contribue à réduire le nombre de microtubules et autres défauts. De plus, le graphite poreux constitue une technologie clé pour optimiser la longueur et l'épaisseur des cristaux de SiC, car il permet d'équilibrer les composants en phase gazeuse, d'isoler les impuretés à l'état de traces, de réguler la température locale, de réduire l'agglomération de carbone et autres particules, et, sous réserve de la disponibilité des cristaux, d'augmenter significativement leur épaisseur.
Gbase raphite
Les supports en graphite sont des composants couramment utilisés pour supporter et chauffer les substrats monocristallins dans les équipements de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD). La stabilité et l'uniformité thermiques des supports en graphite revêtus de SiC sont déterminantes pour la qualité de la croissance épitaxiale, ce qui en fait un composant essentiel des équipements MOCVD. Lors du processus d'épitaxie du carbure de silicium, la plaquette est déposée sur un disque en graphite, disponible en version creuse, plate ou monocouche. Ce disque est généralement revêtu de SiC, assurant une forte adhérence et prolongeant ainsi la durée de vie des pièces en graphite tout en garantissant la pureté de surface requise pour la production de semi-conducteurs. Il existe également un revêtement en TaC ; comparé au graphite revêtu de SiC, ce revêtement offre une meilleure résistance à la chaleur.
Pièces en graphite pour l'implantation ionique
L'implantation ionique est une technologie qui consiste à accélérer un faisceau d'ions (bore, phosphore, arsenic, etc.) à une énergie spécifique, puis à l'injecter à la surface d'une plaquette de silicium afin d'en modifier les propriétés. Les matériaux constituant les composants d'un dispositif d'implantation ionique doivent être de haute pureté, présenter une excellente résistance à la chaleur, une conductivité thermique élevée, une faible corrosion par le faisceau d'ions et une faible teneur en impuretés. Le graphite de haute pureté répond à ces exigences et peut être utilisé dans les tubes de vol des équipements d'implantation ionique, les fentes, les électrodes, les revêtements d'électrodes, les cathéters, les terminateurs de faisceau, etc. Actuellement, le coût du substrat en carbure de silicium représente environ 47 % du coût total du dispositif, et parmi ces coûts, celui des matériaux de champ thermique, comme le graphite revêtu, est prépondérant.
En ce qui concerne les supports en graphite revêtus de SiC, les principaux fournisseurs internationaux sont le néerlandais Xycard, l'allemand SGL, le japonais Toyang Carbon et l'américain MEMC, qui dominent le marché mondial. À Singapour, il est nécessaire d'ouvrir progressivement la voie à une production locale de supports en graphite revêtus de SiC, et le secteur doit accélérer ce processus.
Fountyl Technologies PTE Ltd propose des mandrins SIC de haute précision, des mandrins à broches, des mandrins rainurés et des mandrins en céramique poreuse.