În prezent, a treia generație de semiconductori este dominată decarbură de siliciu. În structura de cost a dispozitivelor sale, substratul reprezintă 47%, iar epitaxia reprezintă 23%. Cele două împreună reprezintă aproximativ 70%, care este cea mai importantă parte acarbură de siliciulanțul industrial de fabricare a dispozitivelor.
Metoda folosită în mod obișnuit pentru prepararecarbură de siliciumonocristalele este metoda PVT (transport fizic al vaporilor). Principiul este de a face materiile prime într-o zonă de temperatură ridicată și cristalul de semințe într-o zonă de temperatură relativ scăzută. Materiile prime la o temperatură mai ridicată se descompun și produc direct substanțe în fază gazoasă fără fază lichidă. Aceste substanțe în fază gazoasă sunt transportate la cristalul de însămânțare sub antrenarea gradientului de temperatură axial și se nucleează și cresc la cristalul de însămânțare pentru a forma un monocristal de carbură de siliciu. În prezent, companii străine precum Cree, II-VI, SiCrystal, Dow și companii autohtone precum Tianyue Advanced, Tianke Heda și Century Golden Core folosesc toate această metodă.
Există mai mult de 200 de forme cristaline de carbură de siliciu și este necesar un control foarte precis pentru a genera forma de cristal unic necesară (fluxul principal este forma de cristal 4H). Conform prospectului Tianyue Advanced, randamentele tijei de cristal ale companiei în 2018-2020 și S1 2021 au fost de 41%, 38,57%, 50,73% și, respectiv, 49,90%, iar randamentele substratului au fost de 72,61%, respectiv 75,70,4%, 75,715%, 75,7. Randamentul global este în prezent de doar 37,7%. Luând ca exemplu metoda principală PVT, randamentul scăzut se datorează în principal următoarelor dificultăți în pregătirea substratului SiC:
1. Dificultate în controlul câmpului temperaturii: tijele de cristal SiC trebuie produse la o temperatură ridicată de 2500 ℃, în timp ce cristalele de siliciu au nevoie doar de 1500 ℃, deci sunt necesare cuptoare speciale cu un singur cristal, iar temperatura de creștere trebuie controlată cu precizie în timpul producției , care este extrem de greu de controlat.
2. Viteză lentă de producție: Rata de creștere a materialelor tradiționale de siliciu este de 300 mm pe oră, dar cristalele simple de carbură de siliciu pot crește doar cu 400 de microni pe oră, ceea ce este de aproape 800 de ori diferența.
3. Cerințe ridicate pentru parametrii buni ai produsului, iar randamentul cutiei negre este dificil de controlat în timp: parametrii de bază ai plachetelor de SiC includ densitatea microtuburilor, densitatea de dislocare, rezistivitatea, deformarea, rugozitatea suprafeței etc. În timpul procesului de creștere a cristalului, este necesar pentru a controla cu precizie parametri precum raportul siliciu-carbon, gradientul de temperatură de creștere, rata de creștere a cristalelor și presiunea fluxului de aer. În caz contrar, este posibil să apară incluziuni polimorfe, rezultând cristale necalificate. În cutia neagră a creuzetului de grafit, este imposibil să observați starea de creștere a cristalelor în timp real și sunt necesare un control foarte precis al câmpului termic, potrivirea materialului și acumularea de experiență.
4. Dificultate în expansiunea cristalului: În cadrul metodei de transport în fază gazoasă, tehnologia de expansiune a creșterii cristalelor de SiC este extrem de dificilă. Pe măsură ce dimensiunea cristalului crește, dificultatea de creștere crește exponențial.
5. Randament în general scăzut: Randamentul scăzut este compus în principal din două legături: (1) Randamentul tijei de cristal = ieșire tijă de cristal de calitate semiconductor/(ieșire tijă de cristal de calitate semiconductor + ieșire tijă de cristal de calitate non-semiconductor) × 100%; (2) Randamentul substratului = ieșire de substrat calificată/(ieșire de substrat calificată + ieșire de substrat necalificată) × 100%.
În pregătirea de înaltă calitate și cu randament ridicatsubstraturi cu carbură de siliciu, miezul are nevoie de materiale de câmp termic mai bune pentru a controla cu precizie temperatura de producție. Seturile de creuzet de câmp termic utilizate în prezent sunt în principal piese structurale de grafit de înaltă puritate, care sunt utilizate pentru a încălzi și a topi pulberea de carbon și pulberea de siliciu și pentru a menține căldura. Materialele din grafit au caracteristicile unei rezistențe specifice ridicate și modul specific, rezistență bună la șocuri termice și rezistență la coroziune, dar au dezavantajele de a fi ușor oxidate în medii cu oxigen la temperatură înaltă, nu sunt rezistente la amoniac și rezistență slabă la zgârieturi. În procesul de creștere a monocristalului de carbură de siliciu șiplachetă epitaxială cu carbură de siliciuproducție, este dificil să se îndeplinească cerințele din ce în ce mai stricte ale oamenilor pentru utilizarea materialelor de grafit, ceea ce limitează serios dezvoltarea și aplicarea lor practică. Prin urmare, au început să apară acoperiri la temperatură ridicată, cum ar fi carbura de tantal.
2. Caracteristici aleAcoperire cu carbură de tantal
Ceramica TaC are un punct de topire de până la 3880℃, duritate mare (duritate Mohs 9-10), conductivitate termică mare (22W·m-1·K-1), rezistență mare la încovoiere (340-400MPa) și dilatare termică mică coeficient (6,6×10−6K−1) și prezintă o stabilitate termochimică excelentă și proprietăți fizice excelente. Are compatibilitate chimică bună și compatibilitate mecanică cu grafit și materiale compozite C/C. Prin urmare, acoperirea TaC este utilizată pe scară largă în protecția termică aerospațială, creșterea unui singur cristal, electronica energetică și echipamentele medicale.
acoperit cu TaCgrafitul are o rezistență mai bună la coroziune chimică decât grafitul nu sau grafitul acoperit cu SiC, poate fi utilizat stabil la temperaturi ridicate de 2600° și nu reacționează cu multe elemente metalice. Este cea mai bună acoperire în scenariile de creștere a unui singur cristal de semiconductor de a treia generație și gravare a plachetelor. Poate îmbunătăți semnificativ controlul temperaturii și al impurităților în proces și pregătireplachete cu carbură de siliciu de înaltă calitateși înruditenapolitane epitaxiale. Este potrivit în special pentru creșterea monocristalelor GaN sau AlN cu echipamente MOCVD și creșterea monocristalelor SiC cu echipamente PVT, iar calitatea monocristalelor crescute este îmbunătățită semnificativ.
III. Avantajele dispozitivelor acoperite cu carbură de tantal
Utilizarea acoperirii cu Carbură de Tantal TaC poate rezolva problema defectelor marginilor cristalului și poate îmbunătăți calitatea creșterii cristalului. Este una dintre direcțiile tehnice de bază pentru „creșterea rapidă, creșterea groasă și creșterea lungă”. Cercetările din industrie au arătat, de asemenea, că creuzetul de grafit acoperit cu carbură de tantal poate obține o încălzire mai uniformă, oferind astfel un control excelent al procesului pentru creșterea monocristalului de SiC, reducând astfel semnificativ probabilitatea formării policristaline la marginea cristalelor de SiC. În plus, acoperirea cu grafit cu carbură de tantal are două avantaje majore:
(I) Reducerea defectelor de SiC
În ceea ce privește controlul defectelor de un singur cristal de SiC, există de obicei trei moduri importante. Pe lângă optimizarea parametrilor de creștere și a materialelor sursă de înaltă calitate (cum ar fi pulberea sursă de SiC), utilizarea creuzetului de grafit acoperit cu carbură de tantal poate obține și o calitate bună a cristalului.
Diagrama schematică a creuzetului de grafit convențional (a) și a creuzetului acoperit cu TAC (b)
Conform cercetărilor efectuate de Universitatea din Europa de Est din Coreea, principala impuritate în creșterea cristalelor de SiC este azotul, iar creuzetele de grafit acoperite cu carbură de tantal pot limita în mod eficient încorporarea de azot a cristalelor de SiC, reducând astfel generarea de defecte, cum ar fi microțevile și îmbunătățirea cristalului. calitate. Studiile au arătat că, în aceleași condiții, concentrațiile de purtător ale plachetelor de SiC crescute în creuzete convenționale de grafit și creuzete acoperite cu TAC sunt de aproximativ 4,5 x 1017/cm și, respectiv, 7,6 x 1015/cm.
Comparația defectelor în monocristalele de SiC crescute în creuzetele convenționale de grafit (a) și creuzetele acoperite cu TAC (b)
(II) Îmbunătățirea duratei de viață a creuzetelor de grafit
În prezent, costul cristalelor de SiC a rămas ridicat, din care costul consumabilelor din grafit reprezintă aproximativ 30%. Cheia pentru reducerea costului consumabilelor din grafit este creșterea duratei de viață a acestora. Conform datelor unei echipe de cercetare britanice, acoperirile cu carbură de tantal pot prelungi durata de viață a componentelor din grafit cu 30-50%. Conform acestui calcul, doar înlocuirea grafitului acoperit cu carbură de tantal poate reduce costul cristalelor de SiC cu 9%-15%.
4. Procesul de preparare a acoperirii cu carbură de tantal
Metodele de preparare a acoperirii cu TaC pot fi împărțite în trei categorii: metoda în fază solidă, metoda în fază lichidă și metoda fază gazoasă. Metoda în fază solidă include în principal metoda de reducere și metoda chimică; metoda în fază lichidă include metoda sării topite, metoda sol-gel (Sol-Gel), metoda de sinterizare a suspensiei, metoda de pulverizare cu plasmă; metoda în fază gazoasă include depunerea chimică în vapori (CVD), infiltrarea chimică a vaporilor (CVI) și depunerea fizică în vapori (PVD). Diferite metode au propriile avantaje și dezavantaje. Printre acestea, CVD este o metodă relativ matură și utilizată pe scară largă pentru prepararea acoperirilor TaC. Odată cu îmbunătățirea continuă a procesului, au fost dezvoltate noi procese, cum ar fi depunerea de vapori chimici cu fir fierbinte și depunerea de vapori chimică asistată cu fascicul de ioni.
Materialele pe bază de carbon modificate cu acoperire TaC includ în principal grafit, fibră de carbon și materiale compozite carbon/carbon. Metodele de preparare a acoperirilor TaC pe grafit includ pulverizarea cu plasmă, CVD, sinterizarea suspensiei etc.
Avantajele metodei CVD: Metoda CVD pentru prepararea acoperirilor TaC se bazează pe halogenură de tantal (TaX5) ca sursă de tantal și hidrocarbură (CnHm) ca sursă de carbon. În anumite condiții, ele sunt descompuse în Ta și, respectiv, C și apoi reacţionează între ele pentru a obține acoperiri de TaC. Metoda CVD poate fi efectuată la o temperatură mai scăzută, ceea ce poate evita defectele și proprietățile mecanice reduse cauzate de pregătirea la temperatură ridicată sau de tratarea acoperirilor într-o anumită măsură. Compoziția și structura acoperirii sunt controlabile și are avantajele purității ridicate, densității ridicate și grosimii uniforme. Mai important, compoziția și structura acoperirilor TaC preparate prin CVD pot fi proiectate și controlate cu ușurință. Este o metodă relativ matură și utilizată pe scară largă pentru prepararea acoperirilor TaC de înaltă calitate.
Principalii factori de influență ai procesului includ:
A. Debitul de gaz (sursă de tantal, gaz de hidrocarburi ca sursă de carbon, gaz purtător, gaz de diluare Ar2, gaz reducător H2): Modificarea debitului de gaz are o mare influență asupra câmpului de temperatură, câmpului de presiune și câmpului de debit de gaz în camera de reacție, ducând la modificări ale compoziției, structurii și performanței acoperirii. Creșterea debitului de Ar va încetini rata de creștere a acoperirii și va reduce dimensiunea granulelor, în timp ce raportul de masă molară al TaCl5, H2 și C3H6 afectează compoziția acoperirii. Raportul molar dintre H2 și TaCl5 este (15-20):1, ceea ce este mai potrivit. Raportul molar dintre TaCl5 și C3H6 este teoretic apropiat de 3:1. TaCl5 sau C3H6 în exces va determina formarea de Ta2C sau carbon liber, afectând calitatea plachetei.
B. Temperatura de depunere: Cu cât temperatura de depunere este mai mare, cu atât este mai rapidă viteza de depunere, cu atât dimensiunea granulelor este mai mare și acoperirea este mai aspră. În plus, temperatura și viteza de descompunere a hidrocarburilor în C și descompunerea TaCl5 în Ta sunt diferite, iar Ta și C sunt mai probabil să formeze Ta2C. Temperatura are o mare influență asupra materialelor cu carbon modificat de acoperire cu TaC. Pe măsură ce temperatura de depunere crește, viteza de depunere crește, dimensiunea particulelor crește și forma particulelor se schimbă de la sferică la poliedrică. În plus, cu cât temperatura de depunere este mai mare, cu atât mai rapidă este descompunerea TaCl5, cu atât C va fi mai puțin liber, cu atât este mai mare stresul în acoperire și se vor genera cu ușurință fisuri. Cu toate acestea, temperatura scăzută de depunere va duce la o eficiență mai scăzută de depunere a stratului de acoperire, un timp de depunere mai lung și costuri mai mari ale materiilor prime.
C. Presiunea de depunere: Presiunea de depunere este strâns legată de energia liberă a suprafeței materialului și va afecta timpul de rezidență a gazului în camera de reacție, afectând astfel viteza de nucleare și dimensiunea particulelor de acoperire. Pe măsură ce presiunea de depunere crește, timpul de rezidență al gazului devine mai lung, reactanții au mai mult timp să sufere reacții de nucleare, viteza de reacție crește, particulele devin mai mari și acoperirea devine mai groasă; invers, pe măsură ce presiunea de depunere scade, timpul de rezidență al gazului de reacție este scurt, viteza de reacție încetinește, particulele devin mai mici și stratul de acoperire este mai subțire, dar presiunea de depunere are un efect redus asupra structurii cristaline și compoziției acoperirii.
V. Tendința de dezvoltare a acoperirii cu carbură de tantal
Coeficientul de dilatare termică al TaC (6,6×10−6K−1) este oarecum diferit de cel al materialelor pe bază de carbon, cum ar fi grafitul, fibra de carbon și materialele compozite C/C, ceea ce face ca acoperirile TaC monofazate să fie predispuse la fisurare și căzând. Pentru a îmbunătăți în continuare rezistența la ablație și oxidare, stabilitatea mecanică la temperatură înaltă și rezistența la coroziune chimică la temperatură înaltă a acoperirilor TaC, cercetătorii au efectuat cercetări asupra sistemelor de acoperire, cum ar fi sistemele de acoperire compozite, sistemele de acoperire îmbunătățite cu soluții solide și gradient. sisteme de acoperire.
Sistemul de acoperire compozit este de a închide fisurile unui singur strat. De obicei, alte acoperiri sunt introduse în suprafața sau stratul interior de TaC pentru a forma un sistem de acoperire compozit; sistemul de acoperire de întărire a soluției solide HfC, ZrC etc. au aceeași structură cubică centrată pe față ca TaC, iar cele două carburi pot fi infinit solubile una în cealaltă pentru a forma o structură de soluție solidă. Acoperirea Hf(Ta)C nu are fisuri și are o bună aderență la materialul compozit C/C. Acoperirea are o performanță excelentă anti-ablație; stratul de acoperire cu gradient al sistemului de acoperire se referă la concentrația componentelor de acoperire de-a lungul direcției sale de grosime. Structura poate reduce stresul intern, poate îmbunătăți nepotrivirea coeficienților de dilatare termică și poate evita fisurile.
(II) Produse pentru dispozitive de acoperire cu carbură de tantal
Conform statisticilor și previziunilor QYR (Hengzhou Bozhi), vânzările pe piața globală de acoperire cu carbură de tantal în 2021 au atins 1,5986 milioane USD (excluzând produsele Cree pentru dispozitivele de acoperire cu carbură de tantal autoproduse și furnizate singur), și este încă la începutul anului. etapele dezvoltării industriei.
1. Inele de expansiune și creuzete de cristal necesare pentru creșterea cristalului: Pe baza a 200 de cuptoare de creștere a cristalului per întreprindere, cota de piață a dispozitivelor acoperite cu TaC cerută de 30 de companii de creștere a cristalelor este de aproximativ 4,7 miliarde de yuani.
2. Tavi TaC: Fiecare tava poate transporta 3 napolitane, fiecare tava poate fi folosita 1 luna, iar 1 tava se consuma la fiecare 100 de napolitane. 3 milioane de napolitane necesită 30.000 de tăvi TaC, fiecare tavă este de aproximativ 20.000 de bucăți și aproximativ 600 de milioane sunt necesare în fiecare an.
3. Alte scenarii de reducere a carbonului. Cum ar fi căptușeala cuptorului de înaltă temperatură, duza CVD, țevile cuptorului etc., aproximativ 100 de milioane.
Ora postării: Iul-02-2024