V současnosti dominuje třetí generaci polovodičůkarbid křemíku. V nákladové struktuře jeho zařízení tvoří substrát 47 % a epitaxe 23 %. Oba dohromady tvoří asi 70 %, což je nejdůležitější částkarbid křemíkuprůmyslový řetězec výroby zařízení.
Běžně používaný způsob přípravykarbid křemíkumonokrystaly je metoda PVT (physical vapor transport). Principem je vyrábět suroviny v zóně s vysokou teplotou a očkovací krystal v zóně s relativně nízkou teplotou. Suroviny se při vyšší teplotě rozkládají a přímo produkují látky v plynné fázi bez kapalné fáze. Tyto látky v plynné fázi jsou transportovány do zárodečného krystalu pod vlivem axiálního teplotního gradientu a nukleují a rostou v zárodečném krystalu za vzniku monokrystalu karbidu křemíku. V současné době tuto metodu používají zahraniční společnosti jako Cree, II-VI, SiCrystal, Dow a domácí společnosti jako Tianyue Advanced, Tianke Heda a Century Golden Core.
Existuje více než 200 krystalických forem karbidu křemíku a pro vytvoření požadované monokrystalické formy je zapotřebí velmi přesné řízení (hlavním proudem je krystalová forma 4H). Podle prospektu Tianyue Advanced byly výnosy křišťálových tyčí společnosti v letech 2018-2020 a H1 2021 41 %, 38,57 %, 50,73 % a 49,90 %, v tomto pořadí, a výnosy substrátu byly 72,61 %, 75,15 %, a 70,7 %, 70,7 %. Komplexní výnos je aktuálně pouze 37,7 %. Vezmeme-li jako příklad hlavní metodu PVT, nízký výtěžek je způsoben hlavně následujícími obtížemi při přípravě substrátu SiC:
1. Potíže s regulací teplotního pole: krystalové tyče SiC je třeba vyrábět při vysoké teplotě 2500 ℃, zatímco křemíkové krystaly potřebují pouze 1500 ℃, takže jsou vyžadovány speciální monokrystalické pece a teplota růstu musí být během výroby přesně řízena , který je extrémně náročný na ovládání.
2. Pomalá rychlost výroby: Rychlost růstu tradičních křemíkových materiálů je 300 mm za hodinu, ale monokrystaly karbidu křemíku mohou růst pouze 400 mikronů za hodinu, což je téměř 800krát rozdíl.
3. Vysoké požadavky na dobré parametry produktu a výtěžnost černé skříňky je obtížně kontrolovatelná v čase: Mezi základní parametry SiC waferů patří hustota mikrotrubiček, dislokační hustota, měrný odpor, deformace, drsnost povrchu atd. Během procesu růstu krystalů je nezbytné pro přesné řízení parametrů, jako je poměr křemík-uhlík, gradient teploty růstu, rychlost růstu krystalů a tlak proudění vzduchu. V opačném případě se pravděpodobně vyskytnou polymorfní inkluze, jejichž výsledkem jsou nekvalifikované krystaly. V černé skříňce grafitového kelímku není možné pozorovat stav růstu krystalu v reálném čase a je zapotřebí velmi přesné řízení tepelného pole, přizpůsobení materiálu a akumulace zkušeností.
4. Potíže s expanzí krystalů: Při metodě transportu v plynné fázi je expanzní technologie růstu krystalů SiC extrémně obtížná. S rostoucí velikostí krystalu se exponenciálně zvyšuje obtížnost jeho růstu.
5. Obecně nízký výtěžek: Nízký výtěžek se skládá hlavně ze dvou článků: (1) Výtěžnost krystalové tyče = výstup krystalové tyče polovodičové kvality/(výstup krystalové tyče polovodičové kvality + výstup krystalové tyče nepolovodičové kvality) × 100 %; (2) Výtěžnost substrátu = kvalifikovaný výkon substrátu/(kvalifikovaný výkon substrátu + nekvalifikovaný výkon substrátu) × 100 %.
Při přípravě vysoce kvalitní a vysoce výnosnésubstráty z karbidu křemíkujádro potřebuje lepší materiály tepelného pole pro přesné řízení výrobní teploty. Soupravy kelímků s tepelným polem, které se v současné době používají, jsou především konstrukční díly z vysoce čistého grafitu, které se používají k ohřevu a tavení uhlíkového prášku a křemíkového prášku a udržování tepla. Grafitové materiály se vyznačují vysokou měrnou pevností a specifickým modulem, dobrou odolností proti tepelným šokům a odolností proti korozi, ale mají nevýhodu v tom, že se snadno oxidují v prostředí s vysokou teplotou kyslíku, nejsou odolné vůči čpavku a mají špatnou odolnost proti poškrábání. V procesu růstu monokrystalů karbidu křemíku aepitaxní plátek z karbidu křemíkuvýroby, je obtížné splnit stále přísnější požadavky lidí na použití grafitových materiálů, což vážně omezuje jeho vývoj a praktické použití. Proto se začaly objevovat vysokoteplotní povlaky, jako je karbid tantalu.
2. CharakteristikaPovlak z karbidu tantalu
Keramika TaC má bod tání až 3880℃, vysokou tvrdost (tvrdost podle Mohse 9-10), velkou tepelnou vodivost (22W·m-1·K-1), velkou pevnost v ohybu (340-400MPa) a malou tepelnou roztažnost koeficient (6,6×10−6K−1) a vykazuje vynikající termochemickou stabilitu a vynikající fyzikální vlastnosti. Má dobrou chemickou kompatibilitu a mechanickou kompatibilitu s grafitovými a C/C kompozitními materiály. Proto je povlak TaC široce používán v letecké tepelné ochraně, růstu monokrystalů, energetické elektronice a lékařských zařízeních.
Potaženo TaCgrafit má lepší chemickou odolnost proti korozi než holý grafit nebo grafit potažený SiC, lze jej stabilně používat při vysokých teplotách 2600 °C a nereaguje s mnoha kovovými prvky. Je to nejlepší povlak ve scénářích růstu polovodičových monokrystalů a leptání destiček třetí generace. Může výrazně zlepšit kontrolu teploty a nečistot v procesu a přípravěvysoce kvalitní destičky z karbidu křemíkua souvisejícíepitaxní destičky. Je vhodný zejména pro pěstování monokrystalů GaN nebo AlN pomocí zařízení MOCVD a pěstování monokrystalů SiC pomocí zařízení PVT, přičemž kvalita vypěstovaných monokrystalů se výrazně zlepšuje.
III. Výhody zařízení potažených karbidem tantalu
Použití povlaku karbidu tantalu TaC může vyřešit problém defektů hran krystalů a zlepšit kvalitu růstu krystalů. Je to jeden ze základních technických směrů „rychlého růstu, tloušťky a růstu“. Průmyslový výzkum také ukázal, že grafitový kelímek potažený karbidem tantalu může dosáhnout rovnoměrnějšího ohřevu, čímž poskytuje vynikající řízení procesu růstu monokrystalů SiC, čímž se významně snižuje pravděpodobnost tvorby polykrystalů na okraji krystalů SiC. Kromě toho má grafitový povlak z karbidu tantalu dvě hlavní výhody:
(I) Snížení vad SiC
Pokud jde o kontrolu defektů monokrystalu SiC, existují obvykle tři důležité způsoby. Kromě optimalizace růstových parametrů a vysoce kvalitních výchozích materiálů (jako je práškový zdroj SiC) lze použitím grafitového kelímku potaženého karbidem tantalu také dosáhnout dobré kvality krystalů.
Schematický diagram běžného grafitového kelímku (a) a kelímku potaženého TAC (b)
Podle výzkumu University of Eastern Europe v Koreji je hlavní nečistotou při růstu krystalů SiC dusík a grafitové kelímky potažené karbidem tantalu mohou účinně omezit inkorporaci dusíku do krystalů SiC, čímž se sníží tvorba defektů, jako jsou mikrotrubky a zlepší krystaly. kvalitní. Studie ukázaly, že za stejných podmínek jsou koncentrace nosičů SiC destiček pěstovaných v běžných grafitových kelímcích a kelímcích potažených TAC přibližně 4,5 x 1017/cm a 7,6 x 1015/cm, v daném pořadí.
Porovnání defektů monokrystalů SiC pěstovaných v běžných grafitových kelímcích (a) a kelímcích potažených TAC (b)
(II) Zlepšení životnosti grafitových kelímků
V současné době zůstávají náklady na krystaly SiC vysoké, z čehož náklady na grafitový spotřební materiál tvoří asi 30 %. Klíčem ke snížení nákladů na grafitový spotřební materiál je zvýšení jeho životnosti. Podle údajů britského výzkumného týmu mohou povlaky z karbidu tantalu prodloužit životnost grafitových součástí o 30–50 %. Podle tohoto výpočtu může pouze nahrazení grafitu potaženého karbidem tantalu snížit cenu krystalů SiC o 9 % až 15 %.
4. Proces přípravy povlaku z karbidu tantalu
Metody přípravy povlaku TaC lze rozdělit do tří kategorií: metoda v pevné fázi, metoda v kapalné fázi a metoda v plynné fázi. Metoda na pevné fázi zahrnuje především redukční metodu a chemickou metodu; metoda v kapalné fázi zahrnuje metodu roztavené soli, metodu sol-gel (Sol-Gel), metodu slinování v kaši, metodu plazmového rozprašování; metoda v plynné fázi zahrnuje chemickou depozici z par (CVD), chemickou infiltraci z par (CVI) a fyzikální depozici z par (PVD). Různé metody mají své výhody a nevýhody. Mezi nimi je CVD poměrně vyspělou a široce používanou metodou pro přípravu povlaků TaC. S neustálým zlepšováním procesu byly vyvinuty nové procesy, jako je chemická depozice horkým drátem a chemická depozice iontovým paprskem.
Materiály na bázi uhlíku modifikované povlakem TaC zahrnují hlavně grafit, uhlíková vlákna a kompozitní materiály uhlík/uhlík. Způsoby přípravy povlaků TaC na grafitu zahrnují plazmové stříkání, CVD, slinování v kaši atd.
Výhody metody CVD: Metoda CVD pro přípravu povlaků TaC je založena na halogenidu tantalu (TaX5) jako zdroji tantalu a uhlovodíku (CnHm) jako zdroji uhlíku. Za určitých podmínek se rozkládají na Ta a C a poté spolu reagují za získání povlaků TaC. Metodu CVD lze provádět při nižší teplotě, čímž se lze do určité míry vyhnout defektům a sníženým mechanickým vlastnostem způsobeným vysokoteplotní přípravou nebo úpravou povlaků. Složení a struktura povlaku jsou kontrolovatelné a má výhody vysoké čistoty, vysoké hustoty a jednotné tloušťky. Ještě důležitější je, že složení a struktura povlaků TaC připravených pomocí CVD lze navrhnout a snadno kontrolovat. Je to poměrně vyzrálá a široce používaná metoda pro přípravu vysoce kvalitních povlaků TaC.
Mezi hlavní faktory ovlivňující proces patří:
A. Průtok plynu (zdroj tantalu, uhlovodíkový plyn jako zdroj uhlíku, nosný plyn, ředicí plyn Ar2, redukční plyn H2): Změna rychlosti proudění plynu má velký vliv na teplotní pole, tlakové pole a pole proudění plynu v reakční komory, což má za následek změny ve složení, struktuře a výkonu povlaku. Zvýšení průtoku Ar zpomalí rychlost růstu povlaku a sníží velikost zrna, zatímco poměr molární hmotnosti TaCl5, H2 a C3H6 ovlivňuje složení povlaku. Molární poměr H2 k TaCl5 je (15-20):1, což je vhodnější. Molární poměr TaCl5 k C3H6 je teoreticky blízký 3:1. Nadměrný TaCl5 nebo C3H6 způsobí tvorbu Ta2C nebo volného uhlíku, což ovlivní kvalitu waferu.
B. Teplota depozice: Čím vyšší je teplota depozice, tím vyšší je rychlost depozice, tím větší je velikost zrna a hrubší povlak. Kromě toho se liší teplota a rychlost rozkladu uhlovodíků na C a rozkladu TaCl5 na Ta a Ta a C pravděpodobněji tvoří Ta2C. Na modifikované uhlíkové materiály s povlakem TaC má velký vliv teplota. Se zvyšující se teplotou nanášení se zvyšuje rychlost nanášení, zvětšuje se velikost částic a tvar částic se mění z kulového na mnohostěnný. Navíc, čím vyšší je teplota depozice, tím rychlejší je rozklad TaCl5, tím méně bude volného C, tím větší bude napětí v povlaku a snadno se vytvoří trhliny. Nízká teplota nanášení však povede k nižší účinnosti nanášení povlaku, delší době nanášení a vyšším nákladům na suroviny.
C. Depoziční tlak: Depoziční tlak úzce souvisí s volnou energií povrchu materiálu a bude ovlivňovat dobu setrvání plynu v reakční komoře, čímž ovlivní rychlost nukleace a velikost částic povlaku. Se zvyšujícím se depozičním tlakem se prodlužuje doba setrvání plynu, reaktanty mají více času podstoupit nukleační reakce, zvyšuje se reakční rychlost, částice se zvětšují a povlak se stává silnějším; naopak, když se depoziční tlak snižuje, doba zdržení reakčního plynu je krátká, reakční rychlost se zpomaluje, částice se zmenšují a povlak je tenčí, ale depoziční tlak má malý vliv na krystalovou strukturu a složení povlaku.
V. Vývojový trend povlakování karbidu tantalu
Koeficient tepelné roztažnosti TaC (6,6×10−6K−1) se poněkud liší od koeficientu materiálů na bázi uhlíku, jako je grafit, uhlíková vlákna a kompozitní materiály C/C, díky čemuž jsou jednofázové povlaky TaC náchylné k praskání a praskání. odpadávat. Aby se dále zlepšila odolnost proti ablaci a oxidaci, mechanická stabilita při vysokých teplotách a odolnost proti chemické korozi povlaků TaC při vysokých teplotách, výzkumníci provedli výzkum povlakových systémů, jako jsou kompozitní povlakové systémy, povlakové systémy vylepšené tuhým roztokem a gradient nátěrové systémy.
Kompozitní nátěrový systém má uzavřít trhliny jednoho nátěru. Obvykle se do povrchové nebo vnitřní vrstvy TaC zavádějí další povlaky za účelem vytvoření kompozitního povlakového systému; povlakový systém zpevňující tuhý roztok HfC, ZrC atd. má stejnou plošně centrovanou krychlovou strukturu jako TaC a dva karbidy mohou být vzájemně neomezeně rozpustné za vzniku struktury pevného roztoku. Povlak Hf(Ta)C je bez trhlin a má dobrou adhezi ke kompozitnímu materiálu C/C. Povlak má vynikající antiablační výkon; gradientový povlak systému povlaku se vztahuje ke koncentraci složky povlaku ve směru jeho tloušťky. Konstrukce může snížit vnitřní pnutí, zlepšit nesoulad koeficientů tepelné roztažnosti a vyhnout se prasklinám.
(II) Produkty povlakovacích zařízení z karbidu tantalu
Podle statistik a předpovědí QYR (Hengzhou Bozhi) dosáhly celosvětové tržby na trhu s povlaky z karbidu tantalu v roce 2021 1,5986 milionu USD (vyjma produktů Cree samostatně vyráběných a samostatně dodávaných povlakovacích zařízení z karbidu tantalu) a jsou stále na počátku. etapy rozvoje průmyslu.
1. Krystalové expanzní kroužky a kelímky potřebné pro růst krystalů: Na základě 200 pecí pro růst krystalů na podnik je tržní podíl zařízení s povlakem TaC požadovaných 30 společnostmi pro pěstování krystalů asi 4,7 miliardy juanů.
2. TaC zásobníky: Každý zásobník pojme 3 oplatky, každý zásobník lze používat 1 měsíc a na každých 100 oplatků se spotřebuje 1 zásobník. 3 miliony waferů vyžadují 30 000 táců TaC, každý zásobník má asi 20 000 kusů a každý rok je potřeba asi 600 milionů.
3. Další scénáře snižování uhlíku. Jako je obložení vysokoteplotní pece, tryska CVD, trubky pece atd., asi 100 milionů.
Čas odeslání: Červenec-02-2024