Obecnie dominuje trzecia generacja półprzewodnikówwęglik krzemu. W strukturze kosztów swoich urządzeń podłoże stanowi 47%, a epitaksja 23%. Oba stanowią łącznie około 70%, co jest najważniejszą częściąwęglik krzemułańcuch branży produkującej urządzenia.
Powszechnie stosowana metoda przygotowaniawęglik krzemumonokryształów to metoda PVT (fizyczny transport pary). Zasadą jest wytwarzanie surowców w strefie wysokiej temperatury, a kryształu zaszczepiającego w strefie stosunkowo niskiej temperatury. Surowce w wyższej temperaturze rozkładają się i bezpośrednio wytwarzają substancje w fazie gazowej bez fazy ciekłej. Te substancje w fazie gazowej są transportowane do kryształu zaszczepiającego pod wpływem osiowego gradientu temperatury, gdzie zarodkują i rosną na krysztale zaszczepiającym, tworząc monokryształ węglika krzemu. Obecnie z tej metody korzystają firmy zagraniczne, takie jak Cree, II-VI, SiCrystal, Dow oraz firmy krajowe, takie jak Tianyue Advanced, Tianke Heda, Century Golden Core.
Istnieje ponad 200 form krystalicznych węglika krzemu i wymagana jest bardzo precyzyjna kontrola, aby wytworzyć wymaganą formę monokryształu (głównym nurtem jest postać krystaliczna 4H). Według prospektu emisyjnego Tianyue Advanced uzysk prętów kryształowych w latach 2018-2020 i I półroczu 2021 r. wyniósł odpowiednio 41%, 38,57%, 50,73% i 49,90%, a uzysk substratów odpowiednio 72,61%, 75,15%, 70,44% i 75,47%. Całkowita rentowność wynosi obecnie zaledwie 37,7%. Biorąc za przykład popularną metodę PVT, niska wydajność wynika głównie z następujących trudności w przygotowaniu podłoża SiC:
1. Trudności w kontroli pola temperatury: pręty kryształu SiC muszą być produkowane w wysokiej temperaturze 2500 ℃, podczas gdy kryształy krzemu potrzebują tylko 1500 ℃, dlatego wymagane są specjalne piece do monokryształu, a temperatura wzrostu musi być precyzyjnie kontrolowana podczas produkcji , nad którym niezwykle trudno zapanować.
2. Niska prędkość produkcji: Tempo wzrostu tradycyjnych materiałów krzemowych wynosi 300 mm na godzinę, ale monokryształy węglika krzemu mogą rosnąć tylko 400 mikronów na godzinę, co stanowi prawie 800-krotność różnicy.
3. Wysokie wymagania dotyczące dobrych parametrów produktu, a wydajność czarnej skrzynki jest trudna do kontrolowania w czasie: Podstawowe parametry płytek SiC obejmują gęstość mikroprobówek, gęstość dyslokacji, oporność, wypaczenia, chropowatość powierzchni itp. Podczas procesu wzrostu kryształów niezbędne do dokładnej kontroli parametrów, takich jak stosunek krzemu do węgla, gradient temperatury wzrostu, szybkość wzrostu kryształów i ciśnienie przepływu powietrza. W przeciwnym razie prawdopodobne jest wystąpienie wtrąceń polimorficznych, w wyniku czego powstaną niekwalifikowane kryształy. W czarnej skrzynce tygla grafitowego nie ma możliwości obserwacji stanu wzrostu kryształów w czasie rzeczywistym i wymagana jest bardzo precyzyjna kontrola pola termicznego, dopasowywanie materiałów i gromadzenie doświadczenia.
4. Trudność w ekspansji kryształów: W przypadku metody transportu w fazie gazowej technologia ekspansji wzrostu kryształów SiC jest niezwykle trudna. Wraz ze wzrostem wielkości kryształów, trudność jego wzrostu wzrasta wykładniczo.
5. Generalnie niska wydajność: Niska wydajność składa się głównie z dwóch ogniw: (1) Wydajność pręta kryształowego = moc wyjściowa pręta kryształowego klasy półprzewodnikowej/(wyjście pręta kryształowego klasy półprzewodnikowej + moc wyjściowa pręta kryształowego klasy innej niż półprzewodnikowa) × 100%; (2) Wydajność substratu = wydajność kwalifikowanego podłoża/(wydajność kwalifikowanego podłoża + wydajność substratu niekwalifikowanego) × 100%.
W przygotowaniu wysokiej jakości i wysokiej wydajnościpodłoża z węglika krzemurdzeń wymaga lepszych materiałów pola termicznego, aby dokładnie kontrolować temperaturę produkcji. Obecnie stosowane zestawy tygli z polem termicznym składają się głównie z części konstrukcyjnych z grafitu o wysokiej czystości, które służą do podgrzewania i topienia proszku węglowego i proszku krzemowego oraz utrzymywania ciepła. Materiały grafitowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością właściwą i modułem właściwym, dobrą odpornością na szok termiczny i odpornością na korozję, ale mają tę wadę, że łatwo utleniają się w środowiskach tlenowych o wysokiej temperaturze, nie są odporne na amoniak i słabą odporność na zarysowania. W procesie wzrostu monokryształów węglika krzemu ipłytka epitaksjalna z węglika krzemuprodukcji, trudno sprostać coraz bardziej rygorystycznym wymaganiom człowieka w zakresie stosowania materiałów grafitowych, co poważnie ogranicza jego rozwój i praktyczne zastosowanie. Dlatego zaczęły pojawiać się powłoki wysokotemperaturowe, takie jak węglik tantalu.
2. CharakterystykaPowłoka z węglika tantalu
Ceramika TaC ma temperaturę topnienia do 3880℃, wysoką twardość (twardość Mohsa 9-10), dużą przewodność cieplną (22W·m-1·K−1), dużą wytrzymałość na zginanie (340-400MPa) i małą rozszerzalność cieplną współczynniku (6,6×10−6K−1) i wykazuje doskonałą stabilność termochemiczną oraz doskonałe właściwości fizyczne. Ma dobrą kompatybilność chemiczną i mechaniczną z materiałami kompozytowymi grafitowymi i C/C. Dlatego powłoka TaC jest szeroko stosowana w ochronie termicznej w przemyśle lotniczym, hodowli monokryształów, elektronice energetycznej i sprzęcie medycznym.
Pokryty TaCgrafit ma lepszą odporność na korozję chemiczną niż grafit goły lub grafit pokryty SiC, może być stabilnie stosowany w wysokich temperaturach do 2600° i nie reaguje z wieloma elementami metalowymi. Jest to najlepsza powłoka w scenariuszach wzrostu monokryształów półprzewodników trzeciej generacji i trawienia płytek. Może znacznie poprawić kontrolę temperatury i zanieczyszczeń w procesie i przygotowaniuwysokiej jakości płytki z węglika krzemui powiązanepłytki epitaksjalne. Szczególnie nadaje się do hodowli monokryształów GaN lub AlN za pomocą sprzętu MOCVD i hodowli monokryształów SiC za pomocą sprzętu PVT, a jakość wyhodowanych monokryształów ulega znacznej poprawie.
III. Zalety urządzeń pokrytych węglikiem tantalu
Zastosowanie powłoki TaC z węglika tantalu może rozwiązać problem defektów krawędzi kryształów i poprawić jakość wzrostu kryształów. Jest to jeden z podstawowych kierunków technicznych „szybkiego wzrostu, gęstego wzrostu i długiego wzrostu”. Badania branżowe wykazały również, że tygiel grafitowy pokryty węglikiem tantalu może osiągnąć bardziej równomierne ogrzewanie, zapewniając w ten sposób doskonałą kontrolę procesu wzrostu monokryształów SiC, a tym samym znacznie zmniejszając prawdopodobieństwo tworzenia się polikrystaliczności na krawędzi kryształów SiC. Ponadto powłoka grafitowa z węglika tantalu ma dwie główne zalety:
(I) Redukcja defektów SiC
Jeśli chodzi o kontrolowanie defektów monokryształu SiC, istnieją zwykle trzy ważne sposoby. Oprócz optymalizacji parametrów wzrostu i wysokiej jakości materiałów źródłowych (takich jak proszek źródłowy SiC), zastosowanie tygla grafitowego powlekanego węglikiem tantalu może również osiągnąć dobrą jakość kryształów.
Schemat ideowy konwencjonalnego tygla grafitowego (a) i tygla pokrytego TAC (b)
Według badań Uniwersytetu Europy Wschodniej w Korei, głównym zanieczyszczeniem we wzroście kryształów SiC jest azot, a tygle grafitowe pokryte węglikiem tantalu mogą skutecznie ograniczać wprowadzanie azotu do kryształów SiC, zmniejszając w ten sposób powstawanie defektów, takich jak mikrorurki i poprawiając jakość kryształu jakość. Badania wykazały, że w tych samych warunkach stężenia nośników w płytkach SiC hodowanych w konwencjonalnych tyglach grafitowych i tyglach pokrytych TAC wynoszą odpowiednio około 4,5 x 1017/cm i 7,6 x 1015/cm.
Porównanie defektów monokryształów SiC hodowanych w konwencjonalnych tyglach grafitowych (a) i tyglach pokrytych TAC (b)
(II) Poprawa trwałości tygli grafitowych
Obecnie koszt kryształów SiC pozostaje wysoki, z czego koszt materiałów grafitowych stanowi około 30%. Kluczem do obniżenia kosztów materiałów eksploatacyjnych grafitowych jest zwiększenie ich żywotności. Według danych brytyjskiego zespołu badawczego powłoki z węglika tantalu mogą wydłużyć żywotność elementów grafitowych o 30-50%. Zgodnie z tymi obliczeniami, jedynie zastąpienie grafitu pokrytego węglikiem tantalu może obniżyć koszt kryształów SiC o 9–15%.
4. Proces przygotowania powłoki z węglika tantalu
Metody przygotowania powłoki TaC można podzielić na trzy kategorie: metodę w fazie stałej, metodę w fazie ciekłej i metodę w fazie gazowej. Metoda fazy stałej obejmuje głównie metodę redukcji i metodę chemiczną; metoda fazy ciekłej obejmuje metodę stopionej soli, metodę zol-żel (Sol-Gel), metodę spiekania zawiesiny, metodę natryskiwania plazmowego; metoda w fazie gazowej obejmuje chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), chemiczną infiltrację z fazy gazowej (CVI) i fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD). Różne metody mają swoje zalety i wady. Wśród nich CVD jest stosunkowo dojrzałą i szeroko stosowaną metodą wytwarzania powłok TaC. Wraz z ciągłym udoskonalaniem procesu opracowano nowe procesy, takie jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej gorącym drutem i chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane wiązką jonów.
Materiały na bazie węgla modyfikowane powłoką TaC obejmują głównie grafit, włókno węglowe i materiały kompozytowe węgiel/węgiel. Metody wytwarzania powłok TaC na graficie obejmują natryskiwanie plazmowe, CVD, spiekanie zawiesiny itp.
Zalety metody CVD: Metoda CVD do wytwarzania powłok TaC opiera się na halogenku tantalu (TaX5) jako źródle tantalu i węglowodorze (CnHm) jako źródle węgla. W pewnych warunkach ulegają one rozkładowi odpowiednio na Ta i C, a następnie reagują ze sobą tworząc powłoki TaC. Metodę CVD można prowadzić w niższej temperaturze, co pozwala w pewnym stopniu uniknąć defektów i pogorszenia właściwości mechanicznych spowodowanych przygotowaniem lub obróbką powłok w wysokiej temperaturze. Skład i struktura powłoki są kontrolowane, a jej zalety to wysoka czystość, wysoka gęstość i jednolita grubość. Co ważniejsze, skład i strukturę powłok TaC przygotowanych metodą CVD można zaprojektować i łatwo kontrolować. Jest to stosunkowo dojrzała i szeroko stosowana metoda wytwarzania wysokiej jakości powłok TaC.
Do głównych czynników wpływających na proces zaliczają się:
A. Natężenie przepływu gazu (źródło tantalu, gaz węglowodorowy jako źródło węgla, gaz nośny, gaz rozcieńczający Ar2, gaz redukujący H2): Zmiana natężenia przepływu gazu ma ogromny wpływ na pole temperatury, pole ciśnienia i pole przepływu gazu w komorze reakcyjnej, powodując zmiany w składzie, strukturze i działaniu powłoki. Zwiększanie natężenia przepływu Ar spowolni tempo wzrostu powłoki i zmniejszy wielkość ziaren, podczas gdy stosunek mas molowych TaCl5, H2 i C3H6 wpływa na skład powłoki. Stosunek molowy H2 do TaCl5 wynosi (15-20):1 i jest bardziej odpowiedni. Stosunek molowy TaCl5 do C3H6 teoretycznie jest bliski 3:1. Nadmiar TaCl5 lub C3H6 spowoduje powstawanie Ta2C lub wolnego węgla, wpływając na jakość płytki.
B. Temperatura osadzania: Im wyższa temperatura osadzania, tym większa szybkość osadzania, tym większy rozmiar ziarna i bardziej szorstka powłoka. Ponadto temperatura i prędkość rozkładu węglowodorów na C i rozkładu TaCl5 na Ta są różne, a Ta i C częściej tworzą Ta2C. Temperatura ma duży wpływ na materiały węglowe modyfikowane powłoką TaC. Wraz ze wzrostem temperatury osadzania wzrasta szybkość osadzania, zwiększa się rozmiar cząstek, a kształt cząstek zmienia się z kulistego na wielościenny. Ponadto im wyższa temperatura osadzania, tym szybszy rozkład TaCl5, im mniej wolnego C będzie, tym większe naprężenia w powłoce i łatwo będą powstawać pęknięcia. Jednakże niska temperatura osadzania będzie prowadzić do niższej wydajności osadzania powłoki, dłuższego czasu osadzania i wyższych kosztów surowców.
C. Ciśnienie osadzania: Ciśnienie osadzania jest ściśle powiązane z energią swobodną powierzchni materiału i będzie miało wpływ na czas przebywania gazu w komorze reakcyjnej, wpływając w ten sposób na prędkość zarodkowania i wielkość cząstek powłoki. Wraz ze wzrostem ciśnienia osadzania wydłuża się czas przebywania gazu, reagenty mają więcej czasu na poddanie się reakcjom zarodkowania, wzrasta szybkość reakcji, cząstki stają się większe, a powłoka staje się grubsza; i odwrotnie, gdy ciśnienie osadzania maleje, czas przebywania gazu reakcyjnego jest krótki, szybkość reakcji maleje, cząstki stają się mniejsze, a powłoka jest cieńsza, ale ciśnienie osadzania ma niewielki wpływ na strukturę krystaliczną i skład powłoki.
V. Trend rozwojowy powłok z węglika tantalu
Współczynnik rozszerzalności cieplnej TaC (6,6×10-6K-1) różni się nieco od współczynnika rozszerzalności materiałów węglowych, takich jak grafit, włókno węglowe i materiały kompozytowe C/C, co sprawia, że jednofazowe powłoki TaC są podatne na pękanie i spadanie. W celu dalszej poprawy odporności na ablację i utlenianie, stabilności mechanicznej w wysokich temperaturach i odporności na korozję chemiczną w wysokich temperaturach powłok TaC, badacze przeprowadzili badania nad systemami powłok, takimi jak systemy powłok kompozytowych, systemy powłok wzmocnione roztworami stałymi i systemy gradientowe systemy powłokowe.
Kompozytowy system powłokowy ma za zadanie zamknąć pęknięcia pojedynczej powłoki. Zwykle na powierzchnię lub wewnętrzną warstwę TaC wprowadza się inne powłoki, tworząc kompozytowy system powłokowy; system powłok wzmacniających roztwory stałe HfC, ZrC itp. mają tę samą sześcienną strukturę skupioną na powierzchni co TaC, a dwa węgliki mogą być nieskończenie rozpuszczalne w sobie, tworząc strukturę stałego roztworu. Powłoka Hf(Ta)C jest pozbawiona pęknięć i ma dobrą przyczepność do materiału kompozytowego C/C. Powłoka ma doskonałe działanie przeciwablacyjne; powłoka gradientowa w systemie powłok gradientowych odnosi się do stężenia składników powłoki wzdłuż kierunku jej grubości. Struktura może zmniejszyć naprężenia wewnętrzne, poprawić niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej i uniknąć pęknięć.
(II) Produkty do powlekania węglikiem tantalu
Według statystyk i prognoz QYR (Hengzhou Bozhi) sprzedaż globalnego rynku powłok z węglika tantalu w 2021 r. wyniosła 1,5986 mln USD (z wyłączeniem samodzielnie produkowanych i dostarczanych przez firmę Cree urządzeń do powlekania węglikiem tantalu) i nadal znajduje się ona na wczesnym etapie etapy rozwoju przemysłu.
1. Kryształowe pierścienie ekspansyjne i tygle wymagane do hodowli kryształów: Biorąc pod uwagę 200 pieców do hodowli kryształów na przedsiębiorstwo, udział w rynku urządzeń pokrytych TaC wymaganych przez 30 firm zajmujących się hodowlą kryształów wynosi około 4,7 miliarda juanów.
2. Tace TaC: Na każdej tacy mieszczą się 3 wafle, każda taca może być używana przez 1 miesiąc, a 1 taca zużywa się na każde 100 wafli. Na 3 miliony płytek potrzeba 30 000 tac TaC, każda taca to około 20 000 sztuk, a każdego roku potrzeba około 600 milionów.
3. Inne scenariusze redukcji emisji dwutlenku węgla. Takie jak wykładzina pieca wysokotemperaturowego, dysza CVD, rury pieca itp., Około 100 milionów.
Czas publikacji: 02 lipca 2024 r