В даний час переважає третє покоління напівпровідниківкарбід кремнію. У структурі собівартості його пристроїв підкладка займає 47%, а епітаксія — 23%. Ці два разом складають близько 70%, що є найважливішою частиноюкарбід кремніюланцюжок виробництва пристроїв.
Поширений спосіб приготуваннякарбід кремніюмонокристалів — метод PVT (фізичний транспорт парів). Принцип полягає в виготовленні сировини в зоні високої температури, а затравковий кристал у зоні відносно низької температури. Сировина при більш високій температурі розкладається і безпосередньо утворює речовини газової фази без рідкої фази. Ці речовини газової фази транспортуються до затравкового кристала під дією осьового градієнта температури, зароджуються та ростуть у затравковому кристалі, утворюючи монокристал карбіду кремнію. В даний час іноземні компанії, такі як Cree, II-VI, SiCrystal, Dow, і вітчизняні компанії, такі як Tianyue Advanced, Tianke Heda і Century Golden Core, використовують цей метод.
Існує понад 200 кристалічних форм карбіду кремнію, і для створення необхідної монокристалічної форми (основною формою є кристалічна форма 4H) потрібен дуже точний контроль. Відповідно до проспекту Tianyue Advanced, вихід кристалічних стрижнів компанії в 2018-2020 роках і першому півріччі 2021 року становив 41%, 38,57%, 50,73% і 49,90% відповідно, а вихід субстратів становив 72,61%, 75,15%, 70,44% і 75,47% відповідно. Загальна дохідність наразі становить лише 37,7%. Взявши за приклад основний метод PVT, низький вихід в основному зумовлений наступними труднощами під час підготовки підкладки SiC:
1. Труднощі в контролі температурного поля: кристалічні стрижні SiC потрібно виробляти при високій температурі 2500 ℃, тоді як кристали кремнію потребують лише 1500 ℃, тому потрібні спеціальні монокристалічні печі, а температуру росту потрібно точно контролювати під час виробництва. , яку надзвичайно важко контролювати.
2. Повільна швидкість виробництва: Швидкість росту традиційних кремнієвих матеріалів становить 300 мм на годину, але монокристали карбіду кремнію можуть рости лише на 400 мікрон на годину, що майже у 800 разів перевищує різницю.
3. Високі вимоги до хороших параметрів продукту, а вихід чорного ящика важко контролювати вчасно: основні параметри пластин SiC включають щільність мікротрубок, щільність дислокацій, питомий опір, викривлення, шорсткість поверхні тощо. Під час процесу росту кристала це необхідні для точного контролю таких параметрів, як співвідношення кремній-вуглець, температурний градієнт зростання, швидкість росту кристалів і тиск повітряного потоку. Інакше можуть виникнути поліморфні включення, що призведе до некваліфікованих кристалів. У чорному ящику графітового тигля неможливо спостерігати за станом росту кристала в реальному часі, і потрібне дуже точне керування тепловим полем, підбір матеріалу та накопичення досвіду.
4. Труднощі при розширенні кристалів: за методом газофазного транспорту технологія розширення кристалів SiC надзвичайно складна. Зі збільшенням розміру кристала складність його зростання експоненціально зростає.
5. Загальний низький вихід: низький вихід в основному складається з двох зв’язків: (1) Вихід кристалічного стрижня = вихід кристалічного стрижня напівпровідникового класу/(вихід кристалічного стрижня напівпровідникового класу + вихід кристалічного стрижня ненапівпровідникового класу) × 100%; (2) Вихід субстрату = кваліфікований вихід субстрату/(кваліфікований вихід субстрату + некваліфікований вихід субстрату) × 100%.
При заготівлі якісний і високоврожайнийпідкладки з карбіду кремнію, ядро потребує кращих матеріалів теплового поля для точного контролю температури виробництва. Наразі використовувані комплекти термічного тигля — це головним чином структурні деталі з графіту високої чистоти, які використовуються для нагрівання та плавлення вуглецевого порошку та порошку кремнію та збереження тепла. Графітові матеріали мають такі характеристики, як висока питома міцність і питомий модуль, хороша стійкість до термічного удару та стійкість до корозії, але вони мають недоліки, пов’язані з тим, що вони легко окислюються у високотемпературному кисневому середовищі, нестійкі до аміаку та погану стійкість до подряпин. У процесі вирощування монокристалів карбіду кремнію іепітаксіальна пластина карбіду кремніюУ виробництві важко задовольнити все більш жорсткі вимоги людей до використання графітових матеріалів, що серйозно обмежує його розвиток і практичне застосування. Тому почали з’являтися високотемпературні покриття, такі як карбід танталу.
2. ХарактеристикаПокриття з карбіду танталу
Кераміка TaC має температуру плавлення до 3880 ℃, високу твердість (твердість за Моосом 9-10), велику теплопровідність (22 Вт·м-1·K−1), велику міцність на вигин (340-400 МПа) і малий коефіцієнт теплового розширення коефіцієнт (6,6 × 10−6K−1), і демонструє чудову термохімічну стабільність і чудові фізичні властивості. Він має хорошу хімічну сумісність і механічну сумісність з графітом і C/C композитними матеріалами. Тому покриття TaC широко використовується в аерокосмічному теплозахисті, вирощуванні монокристалів, енергетичній електроніці та медичному обладнанні.
з покриттям TaCГрафіт має кращу стійкість до хімічної корозії, ніж чистий графіт або графіт з покриттям SiC, може стабільно використовуватися при високих температурах 2600° і не реагує з багатьма металевими елементами. Це найкраще покриття в сценаріях вирощування монокристалів напівпровідників третього покоління та травлення пластин. Це може значно покращити контроль температури та домішок у процесі та підготовцівисокоякісні пластини з карбіду кремніюта спорідненіепітаксіальні пластини. Він особливо підходить для вирощування монокристалів GaN або AlN за допомогою обладнання MOCVD і вирощування монокристалів SiC за допомогою обладнання PVT, при цьому якість вирощених монокристалів значно покращується.
III. Переваги пристроїв з покриттям з карбіду танталу
Використання покриття з карбіду танталу TaC може вирішити проблему дефектів краю кристала та покращити якість росту кристалів. Це один із основних технічних напрямків «швидкого росту, густого та довгого». Галузеві дослідження також показали, що графітовий тигель з покриттям з карбіду танталу може досягти більш рівномірного нагріву, забезпечуючи тим самим відмінний контроль процесу росту монокристалів SiC, таким чином значно знижуючи ймовірність утворення полікристалів на краю кристалів SiC. Крім того, графітове покриття з карбіду танталу має дві основні переваги:
(I) Зменшення дефектів SiC
З точки зору контролю дефектів монокристалів SiC зазвичай існує три важливі способи. На додаток до оптимізації параметрів росту та високоякісних вихідних матеріалів (таких як вихідний порошок SiC), використання графітового тигля з покриттям з карбіду танталу також може досягти високої якості кристалів.
Принципова діаграма звичайного графітового тигля (a) і тигля з покриттям TAC (b)
Згідно з дослідженнями Університету Східної Європи в Кореї, основною домішкою у зростанні кристалів SiC є азот, а графітові тиглі, покриті карбідом танталу, можуть ефективно обмежувати включення азоту в кристали SiC, тим самим зменшуючи утворення дефектів, таких як мікротрубки, і покращуючи кристал. якість. Дослідження показали, що за однакових умов концентрації носіїв пластин SiC, вирощених у звичайних графітових тиглях і тиглях з покриттям TAC, становлять приблизно 4,5×1017/см і 7,6×1015/см відповідно.
Порівняння дефектів у монокристалах SiC, вирощених у звичайних графітових тиглях (a) і тиглях з покриттям TAC (b)
(II) Покращення терміну служби графітових тиглів
В даний час вартість кристалів SiC залишається високою, з них вартість графітових витратних матеріалів становить близько 30%. Запорукою зниження вартості графітових витратних матеріалів є збільшення терміну їх служби. За даними британської дослідницької групи, покриття з карбіду танталу можуть продовжити термін служби графітових деталей на 30-50%. Відповідно до цього розрахунку, тільки заміна графіту, покритого карбідом танталу, може знизити вартість кристалів SiC на 9%-15%.
4. Процес підготовки покриття з карбіду танталу
Методи приготування покриття TaC можна розділити на три категорії: твердофазний метод, рідкофазний метод і газофазний метод. Метод твердої фази в основному включає метод відновлення та хімічний метод; рідкофазний метод включає метод розплавленої солі, золь-гель метод (Sol-Gel), метод суспензійного спікання, метод плазмового напилення; газофазний метод включає хімічне осадження з парової фази (CVD), хімічну інфільтрацію з парової фази (CVI) і фізичне осадження з парової фази (PVD). Різні методи мають свої переваги та недоліки. Серед них CVD є відносно зрілим і широко використовуваним методом для отримання покриттів TaC. Завдяки постійному вдосконаленню процесу були розроблені нові процеси, такі як хімічне осадження з парової фази гарячим дротом і хімічне осадження з парової фази за допомогою іонного променя.
Матеріали на основі вуглецю, модифіковані покриттям TaC, в основному включають графіт, вуглецеве волокно та композитні матеріали вуглець/вуглець. Методи отримання покриттів TaC на графіті включають плазмове напилення, CVD, суспензійне спікання тощо.
Переваги методу CVD: метод CVD для отримання покриттів TaC базується на галогеніді танталу (TaX5) як джерелі танталу та вуглеводні (CnHm) як джерелі вуглецю. За певних умов вони розкладаються на Ta і C відповідно, а потім реагують один з одним для отримання покриттів TaC. Метод CVD можна проводити при більш низькій температурі, що може певною мірою уникнути дефектів і зниження механічних властивостей, викликаних високотемпературною підготовкою або обробкою покриттів. Склад і структуру покриття можна контролювати, і воно має переваги високої чистоти, високої щільності та рівномірної товщини. Що ще важливіше, склад і структуру покриттів TaC, виготовлених за допомогою CVD, можна розробити та легко контролювати. Це відносно зрілий і широко використовуваний метод для отримання високоякісних покриттів TaC.
До основних факторів, що впливають на процес, належать:
A. Швидкість потоку газу (джерело танталу, вуглеводневий газ як джерело вуглецю, газ-носій, розріджувальний газ Ar2, відновний газ H2): Зміна швидкості газового потоку має великий вплив на температурне поле, поле тиску та поле потоку газу в реакційної камери, що призводить до зміни складу, структури та характеристик покриття. Збільшення швидкості потоку Ar сповільнить швидкість росту покриття та зменшить розмір зерна, тоді як співвідношення молярних мас TaCl5, H2 та C3H6 впливає на склад покриття. Молярне співвідношення H2 до TaCl5 становить (15-20):1, що є більш придатним. Молярне співвідношення TaCl5 до C3H6 теоретично близьке до 3:1. Надлишок TaCl5 або C3H6 призведе до утворення Ta2C або вільного вуглецю, що вплине на якість пластини.
B. Температура осадження: чим вища температура осадження, тим швидша швидкість осадження, тим більший розмір зерен і шорсткіше покриття. Крім того, температура і швидкість розкладання вуглеводню на C і розкладання TaCl5 на Ta відрізняються, і Ta і C з більшою ймовірністю утворюють Ta2C. Температура має великий вплив на модифіковані вуглецеві матеріали з покриттям TaC. З підвищенням температури осадження швидкість осадження зростає, розмір частинок збільшується, а форма частинок змінюється від сферичної до багатогранної. Крім того, чим вища температура осадження, тим швидше відбувається розкладання TaCl5, тим менше буде вільного C, тим більше напруга в покритті, і тим легше утворюватимуться тріщини. Однак низька температура осадження призведе до зниження ефективності осадження покриття, довшого часу осадження та вищих витрат на сировину.
C. Тиск осадження: Тиск осадження тісно пов’язаний із вільною енергією поверхні матеріалу та впливатиме на час перебування газу в реакційній камері, тим самим впливаючи на швидкість зародження та розмір частинок покриття. Зі збільшенням тиску осадження час перебування газу стає довшим, реагенти мають більше часу для реакцій зародження, швидкість реакції збільшується, частинки стають більшими, а покриття стає товщим; навпаки, коли тиск осадження зменшується, час перебування реакційного газу є коротким, швидкість реакції сповільнюється, частинки стають меншими, а покриття тоншим, але тиск осадження мало впливає на кристалічну структуру та склад покриття.
V. Тенденція розвитку покриття з карбіду танталу
Коефіцієнт теплового розширення TaC (6,6×10−6K−1) дещо відрізняється від коефіцієнта теплового розширення матеріалів на основі вуглецю, таких як графіт, вуглецеве волокно та C/C композитні матеріали, що робить однофазні покриття TaC схильними до розтріскування та відпадає. З метою подальшого покращення стійкості до абляції та окислення, високотемпературної механічної стабільності та стійкості до високотемпературної хімічної корозії покриттів TaC дослідники провели дослідження систем покриттів, таких як системи композитних покриттів, системи покриттів, посилених твердим розчином, і градієнтні. системи покриття.
Композитна система покриття призначена для закриття тріщин одного покриття. Зазвичай інші покриття вводяться в поверхневий або внутрішній шар TaC для формування композитної системи покриття; система покриттів для зміцнення твердого розчину HfC, ZrC тощо має таку саму гранецентровану кубічну структуру, що й TaC, і два карбіди можуть нескінченно розчинятися один в одному, утворюючи структуру твердого розчину. Покриття Hf(Ta)C не має тріщин і має хорошу адгезію до композитного матеріалу C/C. Покриття має чудові антиабляційні властивості; система градієнтного покриття градієнтне покриття відноситься до концентрації компонента покриття вздовж його товщини. Структура може зменшити внутрішню напругу, покращити невідповідність коефіцієнтів теплового розширення та уникнути тріщин.
(II) Пристрої для нанесення покриття з карбіду танталу
Згідно зі статистичними даними та прогнозами QYR (Hengzhou Bozhi), світовий ринок продажів покриттів з карбіду танталу в 2021 році досяг 1,5986 мільйона доларів США (без урахування пристроїв для нанесення покриттів з карбіду танталу, вироблених власними силами Cree). етапи розвитку промисловості.
1. Кристалічні розширювальні кільця та тиглі, необхідні для вирощування кристалів: виходячи з 200 печей для вирощування кристалів на підприємство, частка ринку пристроїв з покриттям TaC, необхідних 30 компаніям, що займаються вирощуванням кристалів, становить приблизно 4,7 мільярда юанів.
2. Лотки TaC: кожен лоток може містити 3 вафлі, кожен лоток можна використовувати протягом 1 місяця, і 1 лоток витрачається на кожні 100 вафель. 3 мільйони пластин вимагають 30 000 лотків TaC, кожен лоток містить приблизно 20 000 штук, і щороку потрібно приблизно 600 мільйонів.
3. Інші сценарії скорочення вуглецю. Таких як футерівка високотемпературної печі, сопло CVD, пічні труби тощо, близько 100 мільйонів.
Час публікації: 02 липня 2024 р