Понастоящем третото поколение полупроводници е доминирано отсилициев карбид. В структурата на разходите на нейните устройства подложката заема 47%, а епитаксията - 23%. Двете заедно представляват около 70%, което е най-важната част отсилициев карбидверига за производство на устройства.
Често използван метод за приготвянесилициев карбидмонокристали е PVT (физически транспорт на парите) метод. Принципът е суровините да се произвеждат в зона с висока температура, а зародишният кристал в зона с относително ниска температура. Суровините при по-висока температура се разлагат и директно произвеждат вещества в газова фаза без течна фаза. Тези газови фазови вещества се транспортират до зародишния кристал под действието на аксиалния температурен градиент и се зараждат и растат в зародишния кристал, за да образуват монокристал от силициев карбид. В момента чуждестранни компании като Cree, II-VI, SiCrystal, Dow и местни компании като Tianyue Advanced, Tianke Heda и Century Golden Core използват този метод.
Има повече от 200 кристални форми на силициев карбид и е необходим много прецизен контрол, за да се генерира необходимата монокристална форма (основната е 4H кристална форма). Според проспекта на Tianyue Advanced, добивите на кристални пръчки на компанията през 2018-2020 и H1 2021 са съответно 41%, 38,57%, 50,73% и 49,90%, а добивите на субстрата са съответно 72,61%, 75,15%, 70,44% и 75,47%. Общата доходност в момента е само 37,7%. Като вземем за пример основния PVT метод, ниският добив се дължи главно на следните трудности при подготовката на SiC субстрата:
1. Трудности при контрола на температурното поле: SiC кристалните пръти трябва да се произвеждат при висока температура от 2500 ℃, докато силициевите кристали се нуждаят само от 1500 ℃, така че са необходими специални монокристални пещи и температурата на растеж трябва да се контролира прецизно по време на производството , което е изключително трудно за контролиране.
2. Бавна производствена скорост: Скоростта на растеж на традиционните силициеви материали е 300 mm на час, но монокристалите от силициев карбид могат да растат само с 400 микрона на час, което е почти 800 пъти разликата.
3. Високи изисквания за добри параметри на продукта и добивът на черна кутия е трудно да се контролира във времето: Основните параметри на SiC пластините включват плътност на микротръбите, плътност на дислокация, съпротивление, изкривяване, грапавост на повърхността и т.н. По време на процеса на растеж на кристала, това е необходими за прецизен контрол на параметри като съотношение силиций-въглерод, температурен градиент на растеж, скорост на растеж на кристали и налягане на въздушния поток. В противен случай има вероятност да се появят полиморфни включвания, водещи до неквалифицирани кристали. В черната кутия на графитния тигел е невъзможно да се наблюдава състоянието на растеж на кристала в реално време и е необходим много прецизен контрол на термичното поле, съвпадение на материала и натрупване на опит.
4. Трудности при разширяването на кристалите: При метода на транспортиране на газовата фаза, технологията за разширяване на кристалния растеж на SiC е изключително трудна. С увеличаването на размера на кристала, трудността на растежа му нараства експоненциално.
5. Като цяло нисък добив: Ниският добив се състои главно от две връзки: (1) добив на кристална пръчка = изход на кристална пръчка от полупроводников клас/(изход на кристална пръчка от полупроводников клас + изход на кристална пръчка от неполупроводников клас) × 100%; (2) Добив на субстрат = квалифициран изход на субстрат/(квалифициран изход на субстрат + неквалифициран изход на субстрат) × 100%.
При подготовката на високо качество и висок добивсилициево-карбидни субстрати, сърцевината се нуждае от по-добри материали за термично поле, за да контролира точно производствената температура. Използваните понастоящем комплекти тигели с термично поле са главно структурни части от графит с висока чистота, които се използват за нагряване и стопяване на въглероден прах и силициев прах и поддържане на топлина. Графитните материали имат характеристиките на висока специфична якост и специфичен модул, добра устойчивост на термичен удар и устойчивост на корозия, но имат недостатъците, че лесно се окисляват в среда с кислород при висока температура, не са устойчиви на амоняк и слаба устойчивост на надраскване. В процеса на растеж на монокристален силициев карбид иепитаксиална пластина от силициев карбидпроизводство, е трудно да се отговори на все по-строгите изисквания на хората за използване на графитни материали, което сериозно ограничава неговото развитие и практическо приложение. Поради това започнаха да се появяват високотемпературни покрития като танталов карбид.
2. Характеристики наПокритие от танталов карбид
TaC керамиката има точка на топене до 3880 ℃, висока твърдост (твърдост по Mohs 9-10), голяма топлопроводимост (22W·m-1·K−1), голяма якост на огъване (340-400MPa) и малко термично разширение коефициент (6,6 × 10−6K−1) и проявява отлична термохимична стабилност и отлични физични свойства. Има добра химическа съвместимост и механична съвместимост с графит и C/C композитни материали. Поради това TaC покритието се използва широко в космическата термична защита, монокристалния растеж, енергийната електроника и медицинското оборудване.
TaC покритиеграфитът има по-добра устойчивост на химическа корозия от чистия графит или графита с покритие от SiC, може да се използва стабилно при високи температури от 2600° и не реагира с много метални елементи. Това е най-доброто покритие в сценариите за ецване на полупроводникови монокристали от трето поколение. Може значително да подобри контрола на температурата и примесите в процеса и подготовкатависококачествени пластини от силициев карбиди свързаниепитаксиални пластини. Той е особено подходящ за отглеждане на GaN или AlN монокристали с MOCVD оборудване и отглеждане на SiC монокристали с PVT оборудване, като качеството на отглежданите монокристали е значително подобрено.
III. Предимства на устройствата с покритие от танталов карбид
Използването на покритие от танталов карбид TaC може да реши проблема с дефектите на кристалния ръб и да подобри качеството на растежа на кристала. Това е една от основните технически посоки на „расте бързо, расте дебело и расте дълго“. Индустриалните изследвания показват също, че графитният тигел с покритие от танталов карбид може да постигне по-равномерно нагряване, като по този начин осигурява отличен контрол на процеса за растеж на монокристален SiC, като по този начин значително намалява вероятността от поликристално образуване по ръба на кристалите SiC. В допълнение, покритието от танталов карбид и графит има две основни предимства:
(I) Намаляване на SiC дефектите
По отношение на контролирането на SiC монокристални дефекти обикновено има три важни начина. В допълнение към оптимизирането на параметрите на растеж и висококачествените изходни материали (като SiC изходен прах), използването на графитен тигел с покритие от танталов карбид също може да постигне добро качество на кристала.
Схематична диаграма на конвенционален графитен тигел (a) и тигел с TAC покритие (b)
Според изследване на Университета на Източна Европа в Корея, основният примес в растежа на SiC кристалите е азотът, а покритите с танталов карбид графитни тигли могат ефективно да ограничат включването на азот в SiC кристалите, като по този начин намаляват генерирането на дефекти като микротръби и подобряват кристала качество. Проучванията показват, че при същите условия концентрациите на носители на SiC пластини, отгледани в конвенционални графитни тигли и тигли с покритие от TAC, са съответно приблизително 4,5×1017/cm и 7,6×1015/cm.
Сравнение на дефекти в SiC монокристали, отглеждани в конвенционални графитни тигли (a) и тигли с TAC покритие (b)
(II) Подобряване на живота на графитните тигли
Понастоящем цената на SiC кристалите остава висока, от която цената на графитните консумативи представлява около 30%. Ключът към намаляване на разходите за графитни консумативи е увеличаването на експлоатационния му живот. Според данни на британски изследователски екип покритията от танталов карбид могат да удължат живота на графитните компоненти с 30-50%. Според това изчисление само замяната на графита с покритие от танталов карбид може да намали цената на SiC кристалите с 9%-15%.
4. Процес на приготвяне на покритие от танталов карбид
Методите за приготвяне на TaC покритие могат да бъдат разделени на три категории: метод на твърда фаза, метод на течна фаза и метод на газова фаза. Методът на твърдата фаза включва главно редукционен метод и химичен метод; методът на течната фаза включва метод на разтопена сол, метод на зол-гел (Sol-Gel), метод на синтероване на суспензия, метод на плазмено пръскане; методът на газовата фаза включва химическо отлагане на пари (CVD), химическа инфилтрация на пари (CVI) и физическо отлагане на пари (PVD). Различните методи имат своите предимства и недостатъци. Сред тях CVD е сравнително зрял и широко използван метод за приготвяне на TaC покрития. С непрекъснатото усъвършенстване на процеса бяха разработени нови процеси като химическо отлагане на пари с гореща тел и химическо отлагане на пари с йонен лъч.
Модифицираните с TaC покритие материали на базата на въглерод включват главно графит, въглеродни влакна и композитни материали въглерод/въглерод. Методите за получаване на TaC покрития върху графит включват плазмено пръскане, CVD, синтероване на суспензия и др.
Предимства на CVD метода: CVD методът за получаване на TaC покрития се основава на танталов халид (TaX5) като източник на тантал и въглеводород (CnHm) като източник на въглерод. При определени условия те се разлагат съответно на Ta и C и след това реагират един с друг, за да се получат TaC покрития. Методът CVD може да се извърши при по-ниска температура, което може да избегне дефекти и намалени механични свойства, причинени от високотемпературна подготовка или обработка на покрития до известна степен. Съставът и структурата на покритието могат да се контролират и има предимствата на висока чистота, висока плътност и еднаква дебелина. По-важното е, че съставът и структурата на TaC покритията, приготвени чрез CVD, могат да бъдат проектирани и лесно контролирани. Това е сравнително зрял и широко използван метод за получаване на висококачествени TaC покрития.
Основните влияещи фактори на процеса включват:
A. Дебит на газ (източник на тантал, въглеводороден газ като източник на въглерод, газ носител, газ за разреждане Ar2, редуциращ газ H2): Промяната в скоростта на газовия поток има голямо влияние върху температурното поле, полето на налягането и полето на газовия поток в реакционната камера, което води до промени в състава, структурата и характеристиките на покритието. Увеличаването на скоростта на потока Ar ще забави скоростта на растеж на покритието и ще намали размера на зърното, докато съотношението на моларната маса на TaCl5, H2 и C3H6 влияе върху състава на покритието. Моларното съотношение на H2 към TaCl5 е (15-20):1, което е по-подходящо. Моларното съотношение на TaCl5 към C3H6 е теоретично близко до 3:1. Прекомерното TaCl5 или C3H6 ще доведе до образуването на Ta2C или свободен въглерод, което ще повлияе на качеството на пластината.
B. Температура на отлагане: Колкото по-висока е температурата на отлагане, толкова по-бърза е скоростта на отлагане, толкова по-голям е размерът на зърното и по-грубо е покритието. В допълнение, температурата и скоростта на разлагането на въглеводорода в C и разлагането на TaCl5 в Ta са различни и Ta и C са по-склонни да образуват Ta2C. Температурата има голямо влияние върху модифицираните въглеродни материали с TaC покритие. С повишаване на температурата на отлагане, скоростта на отлагане се увеличава, размерът на частиците се увеличава и формата на частиците се променя от сферична към многостенна. В допълнение, колкото по-висока е температурата на отлагане, толкова по-бързо е разлагането на TaCl5, толкова по-малко свободен C ще бъде, толкова по-голямо е напрежението в покритието и лесно ще се генерират пукнатини. Но ниската температура на отлагане ще доведе до по-ниска ефективност на отлагане на покритието, по-дълго време на отлагане и по-високи разходи за суровини.
C. Налягане на отлагане: Налягането на отлагане е тясно свързано със свободната енергия на повърхността на материала и ще повлияе на времето за престой на газа в реакционната камера, като по този начин повлияе на скоростта на нуклеация и размера на частиците на покритието. Тъй като налягането на отлагане се увеличава, времето за престой на газа става по-дълго, реагентите имат повече време да преминат през реакции на нуклеация, скоростта на реакцията се увеличава, частиците стават по-големи и покритието става по-дебело; обратно, когато налягането на отлагане намалява, времето на престой на реакционния газ е кратко, скоростта на реакцията се забавя, частиците стават по-малки и покритието е по-тънко, но налягането на отлагане има малък ефект върху кристалната структура и състава на покритието.
V. Тенденция на развитие на покритието от танталов карбид
Коефициентът на термично разширение на TaC (6,6 × 10−6K−1) е малко по-различен от този на материали на базата на въглерод като графит, въглеродни влакна и C/C композитни материали, което прави еднофазните TaC покрития склонни към напукване и падане. За да подобрят допълнително устойчивостта на аблация и окисление, високотемпературната механична стабилност и устойчивостта на високотемпературна химическа корозия на TaC покритията, изследователите са провели изследвания върху покривни системи като системи за композитни покрития, системи за покрития с твърд разтвор и градиент покривни системи.
Композитната покривна система е за затваряне на пукнатините на едно покритие. Обикновено други покрития се въвеждат в повърхностния или вътрешния слой на TaC, за да се образува композитна покривна система; системата за укрепване на покритието с твърд разтвор HfC, ZrC и т.н. има същата лицево-центрирана кубична структура като TaC и двата карбида могат да бъдат безкрайно разтворими един в друг, за да образуват структура на твърд разтвор. Покритието Hf(Ta)C е без пукнатини и има добра адхезия към C/C композитния материал. Покритието има отлична анти-аблационна производителност; системата за градиентно покритие градиентното покритие се отнася до концентрацията на покриващия компонент по посока на неговата дебелина. Структурата може да намали вътрешното напрежение, да подобри несъответствието на коефициентите на топлинно разширение и да избегне пукнатини.
(II) Продукти за устройства за покритие от танталов карбид
Според статистиката и прогнозите на QYR (Hengzhou Bozhi), продажбите на глобалния пазар на покритие от танталов карбид през 2021 г. достигнаха 1,5986 милиона щатски долара (с изключение на продуктите на Cree за покритие от танталов карбид, които се произвеждат и доставят сами) и все още е в началото етапи на развитие на индустрията.
1. Кристални разширителни пръстени и тигели, необходими за растеж на кристали: Въз основа на 200 пещи за растеж на кристали на предприятие, пазарният дял на устройства с покритие от TaC, изисквани от 30 компании за растеж на кристали, е около 4,7 милиарда юана.
2. TaC тави: Всяка тава може да носи 3 вафли, всяка тава може да се използва за 1 месец и 1 тава се консумира за всеки 100 вафли. 3 милиона вафли изискват 30 000 TaC тави, всяка тава е около 20 000 парчета и около 600 милиона са необходими всяка година.
3. Други сценарии за намаляване на въглерода. Като високотемпературна облицовка на пещ, CVD дюза, пещни тръби и др., около 100 милиона.
Време на публикуване: 02 юли 2024 г