一、SiC涂层石墨基座简介

在晶圆制造流程中，为了制造诸如LED发光器件等特定器件，需要在某些晶圆衬底上额外构建外延层。例如，LED发光器件需在硅衬底上制备GaAs外延层；高压、大电流等功率应用所需的SBD、MOSFET等器件，则需在导电型SiC衬底上生长SiC外延层；而用于通信等射频应用的HEMT等器件，则需在半绝缘型SiC衬底上构建GaN外延层。这一系列过程均依赖于CVD（化学气相沉积）设备。

在CVD操作中，衬底无法直接置于金属或简单底座上进行外延沉积，因为这涉及到气体流向（包括水平和垂直方向）、温度控制、压力调节、衬底固定以及防止污染物脱落等多个关键因素。因此，必须采用特定的基座——SiC涂层石墨基座（又称托盘），将衬底稳妥地置于其上，再利用CVD技术进行外延沉积。

图1. 外延设备的碳化硅涂层石墨盘和石墨基座

(图片素材来源：Axitron官网，如有侵权请联系作者删除)

二、SiC涂层石墨基座应用

SiC涂层石墨基座是金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备中的核心组件，专门用于支撑和加热单晶衬底。其热稳定性和热均匀性等卓越性能，对外延材料的生长质量具有决定性影响，因此被视为MOCVD设备的不可或缺的关键部件。

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。

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。

图2. 外延设备的碳化硅涂层石墨盘和石墨基座

(图片素材来源：西格里SGL，如有侵权请联系作者删除)

三、SiC涂层石墨基座应用优势

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包覆性良好、结合强度高、化学稳定性高等特点。

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。石墨基座一般经过碳化硅涂层，碳化硅涂层是一种具有致密、耐磨损、高耐腐蚀性和耐热性以及卓越的导热性的涂层，碳化硅涂层与石墨部件紧密结合，延长了石墨部件的使用寿命，并实现了生产半导体材料所需的高纯度表面结构。

四、SiC晶体结构

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。

碳化硅有两种主要的晶型，低温稳定的立方晶系(β-SiC)和高温稳定的六方晶系(α-SiC)。其中，β-SiC是面心立方闪锌矿结构，Si和C形成互相套的面心立方结构，沿着立方体体对角线错开1/4的长度，Si原子处在相邻的4个C原子构成的正四面体中。

而α-SiC为六方纤锌矿结构，C 原子为六方堆积，Si 原子处在C原子构成的正四面体中。这种共价键四面体结构决定了 SiC 晶体有很高的稳定性，即使高温下也有很高的强度。α-SiC 因其结构单元层的不同堆垛方式衍生出 2H、4H、6H、15R等多晶型，其中工业上应用最广的是α-SiC-6H晶型，α-SiC-4H单晶片则多用于功率半导体器件的衬底材料。α-SiC-6H晶型的力学性能优异，而α-SiC-4H晶型的绝缘性能高。

图3. SiC的三种晶体结构示意图

五、实验部分

本实验采用苏州浪声科学仪器有限公司的FRINGE桌面式X射线衍射仪，对某半导体材料有限公司提供的石墨基座上SiC涂层及石墨基座上无定形碳涂层进行物相检测。

（1）样品展示

图4. 石墨基座上无定形碳涂层及石墨基座上SiC涂层实物图

（左图—记为无定形碳-石墨，右图—记为SiC-石墨）

（2）分析条件

图5.样品安装测试图

（3）结果与结论

图6.无定形碳-石墨的衍射图谱及定性结果

图7.无定形碳-石墨与石墨基座的叠加衍射图谱

图8. SiC-石墨的衍射图谱及定性结果

（4）分析结果

1、采用常规对称衍射几何，测试过程中，样品固定不动，光管和探测器为θ-θ耦合，即光管转过θ角，光管也转过θ角。由于涂层厚度达到微米级，粉末衍射模式下测试此涂层样品，衍射信号反馈好，可以很好满足测试需求。

2、图6展示了在常规粉末衍射θ-θ扫描模式下石墨基座上无定形碳涂层的衍射图谱，可以看出尖锐的衍射峰来源于石墨，其PDF卡片号为00-056-0160。图7展示的无定形碳-石墨与石墨基座的叠加衍射图谱。从对比结果来看，负载无定形碳涂层的石墨（002）晶面具有不对称峰形（“左缓右急”），同时其比石墨基座的(002)晶面的半峰宽要大很多，可以确定“无定形碳-石墨”这个样品的石墨基座负载上了无定形碳涂层。

3、图8展示了在常规粉末衍射θ-θ扫描模式下石墨基座上SiC碳涂层的衍射图谱，可以看出衍射峰对应于为面心立方结构的3C-SiC，PDF卡片号为01-074-2307。

六、结论

使用苏州浪声的桌面式X射线衍射仪FRINGE，可对SiC涂层等样品进行晶型鉴定，能够为材料的研发、生产、质量管控等提供强有力的数据支撑，及时调整工艺条件，获得高质量产品。