一、SiC涂層石墨基座簡介
在晶圓制造流程中，為了制造諸如LED發光器件等特定器件，需要在某些晶圓襯底上額外構建外延層。例如，LED發光器件需在硅襯底上制備GaAs外延層；高壓、大電流等功率應用所需的SBD、MOSFET等器件，則需在導電型SiC襯底上生長SiC外延層；而用于通信等射頻應用的HEMT等器件，則需在半絕緣型SiC襯底上構建GaN外延層。這一系列過程均依賴于CVD（化學氣相沉積）設備。
在CVD操作中，襯底無法直接置于金屬或簡單底座上進行外延沉積，因為這涉及到氣體流向（包括水平和垂直方向）、溫度控制、壓力調節、襯底固定以及防止污染物脫落等多個關鍵因素。因此，必須采用特定的基座——SiC涂層石墨基座（又稱托盤），將襯底穩妥地置于其上，再利用CVD技術進行外延沉積。
圖1. 外延設備的碳化硅涂層石墨盤和石墨基座
(圖片素材來源：Axitron官網，如有侵權請聯系作者刪除)
二、SiC涂層石墨基座應用
SiC涂層石墨基座是金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）設備中的核心組件，專門用于支撐和加熱單晶襯底。其熱穩定性和熱均勻性等卓越性能，對外延材料的生長質量具有決定性影響，因此被視為MOCVD設備的不可或缺的關鍵部件。
金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）技術是目前進行藍光LED中GaN薄膜外延生長的主流技術，具有操作簡單、生長速率可控、生長出的GaN薄膜純度高等優點。用于GaN薄膜外延生長的承載基座，作為MOCVD設備反應腔內重要部件，需要有耐高溫、熱傳導率均勻、化學穩定性良好、較強的抗熱震性等優點，石墨材料能滿足上述條件。
石墨基座作為MOCVD設備中的核心零部件之一，是襯底基片的承載體和發熱體，直接決定薄膜材料的均勻性和純度，因此它的品質直接影響了外延片的制備，同時隨著使用次數增加、工況環節變化，又極容易損耗，屬于耗材。
圖2. 外延設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，如有侵權請聯系作者刪除)
三、SiC涂層石墨基座應用優勢
雖然石墨具有優異的熱導率和穩定性使其作為MOCVD設備的基座部件有很好的優勢，但在生產過程中石墨會因為腐蝕性氣體和金屬有機物的殘留，使其發生腐蝕掉粉，石墨基座的使用壽命會大打折扣。與此同時，掉落的石墨粉體會對芯片造成污染。
涂層技術的出現能夠提供表面粉體固定、增強熱導率、均衡熱分布，成為了解決該問題的主要技術。石墨基座在MOCVD設備中使用環境，石墨基座表面涂層應滿足包覆性良好、結合強度高、化學穩定性高等特點。
SiC具有耐腐蝕高熱導率、抗熱沖擊、高的化學穩定性等優點，能很好地在GaN外延氣氛中工作。除此之外，SiC的熱膨脹系數與石墨的熱膨脹系數相差很小，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熱性的涂層，碳化硅涂層與石墨部件緊密結合，延長了石墨部件的使用壽命，并實現了生產半導體材料所需的高純度表面結構。
四、SiC晶體結構
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最穩定，可制造光電器件；3C-SiC因其結構與GaN相似，可用于生產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，低溫穩定的立方晶系(β-SiC)和高溫穩定的六方晶系(α-SiC)。其中，β-SiC是面心立方閃鋅礦結構，Si和C形成互相套的面心立方結構，沿著立方體體對角線錯開1/4的長度，Si原子處在相鄰的4個C原子構成的正四面體中。
而α-SiC為六方纖鋅礦結構，C 原子為六方堆積，Si 原子處在C原子構成的正四面體中。這種共價鍵四面體結構決定了 SiC 晶體有很高的穩定性，即使高溫下也有很高的強度。α-SiC 因其結構單元層的不同堆垛方式衍生出 2H、4H、6H、15R等多晶型，其中工業上應用最廣的是α-SiC-6H晶型，α-SiC-4H單晶片則多用于功率半導體器件的襯底材料。α-SiC-6H晶型的力學性能優異，而α-SiC-4H晶型的絕緣性能高。
圖3. SiC的三種晶體結構示意圖
五、實驗部分
本實驗采用蘇州浪聲科學儀器有限公司的FRINGE桌面式X射線衍射儀，對某半導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行物相檢測。
（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：FRINGE | 靶材：Cu靶（CuKα） |
| 附件：Z軸樣品臺 | 管壓/管流：30kV/20mA |
| 掃描模式：θ-θ掃描 | 測試范圍：10-70° |
| 步長:0.03°/step | 積分時間：400ms/step |
圖5.樣品安裝測試圖
（3）結果與結論
圖6.無定形碳-石墨的衍射圖譜及定性結果
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果
（4）分析結果
1、采用常規對稱衍射幾何，測試過程中，樣品固定不動，光管和探測器為θ-θ耦合，即光管轉過θ角，光管也轉過θ角。由于涂層厚度達到微米級，粉末衍射模式下測試此涂層樣品，衍射信號反饋好，可以很好滿足測試需求。
2、圖6展示了在常規粉末衍射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。從對比結果來看，負載無定形碳涂層的石墨（002）晶面具有不對稱峰形（“左緩右急”），同時其比石墨基座的(002)晶面的半峰寬要大很多，可以確定“無定形碳-石墨”這個樣品的石墨基座負載上了無定形碳涂層。
3、圖8展示了在常規粉末衍射θ-θ掃描模式下石墨基座上SiC碳涂層的衍射圖譜，可以看出衍射峰對應于為面心立方結構的3C-SiC，PDF卡片號為01-074-2307。
六、結論
使用蘇州浪聲的桌面式X射線衍射儀FRINGE，可對SiC涂層等樣品進行晶型鑒定，能夠為材料的研發、生產、質量管控等提供強有力的數據支撐，及時調整工藝條件，獲得高質量產品。
