Saiki, semikonduktor generasi katelu didominasi deningsilikon karbida. Ing struktur biaya piranti kasebut, substrat kasebut 47%, lan epitaksi 23%. Loro bebarengan akun kanggo bab 70%, kang bagean paling penting sakasilikon karbidarantai industri manufaktur piranti.
Cara sing umum digunakake kanggo nyiapakesilikon karbidakristal tunggal yaiku metode PVT (physical vapor transport). Prinsip kasebut yaiku nggawe bahan mentah ing zona suhu dhuwur lan kristal wiji ing zona suhu sing relatif murah. Bahan mentah ing suhu sing luwih dhuwur ngrusak lan langsung ngasilake zat fase gas tanpa fase cair. Zat-zat fase gas kasebut diangkut menyang kristal wiji ing sangisore drive gradien suhu aksial, lan nukleat lan tuwuh ing kristal wiji kanggo mbentuk kristal tunggal silikon karbida. Saiki, perusahaan manca kayata Cree, II-VI, SiCrystal, Dow lan perusahaan domestik kayata Tianyue Advanced, Tianke Heda, lan Century Golden Core kabeh nggunakake metode iki.
Ana luwih saka 200 bentuk kristal silikon karbida, lan kontrol sing tepat banget dibutuhake kanggo ngasilake bentuk kristal tunggal sing dibutuhake (utamane yaiku wangun kristal 4H). Miturut prospektus Tianyue Advanced, ngasilake rod kristal perusahaan ing 2018-2020 lan H1 2021 masing-masing 41%, 38,57%, 50,73% lan 49,90%, lan asil substrat masing-masing 72,61%, 75,15%, 75,15%, lan 75,15%. Ngasilake lengkap saiki mung 37,7%. Njupuk metode PVT mainstream minangka conto, asil sing kurang utamane amarga kesulitan ing persiapan substrat SiC:
1. Kesulitan ing kontrol lapangan suhu: rod kristal SiC kudu diprodhuksi ing suhu dhuwur 2500 ℃, nalika kristal silikon mung perlu 1500 ℃, supaya tungku kristal siji khusus dibutuhake, lan suhu wutah kudu sabenere kontrol sak produksi. , sing angel banget dikontrol.
2. Kacepetan produksi alon: Tingkat wutah bahan silikon tradisional yaiku 300 mm saben jam, nanging kristal tunggal silikon karbida mung bisa tuwuh 400 mikron saben jam, sing meh 800 kali bedane.
3. Syarat dhuwur kanggo paramèter produk sing apik, lan asil kothak ireng angel dikontrol ing wektu: Parameter inti wafer SiC kalebu Kapadhetan microtube, Kapadhetan dislokasi, resistivity, warpage, roughness lumahing, etc. Sajrone proses wutah kristal, iku perlu kanggo ngontrol parameter kanthi akurat kayata rasio silikon-karbon, gradien suhu pertumbuhan, tingkat pertumbuhan kristal, lan tekanan aliran udara. Yen ora, inklusi polimorfik bisa kedadeyan, nyebabake kristal sing ora cocog. Ing kothak ireng saka crucible grafit, iku mokal kanggo mirsani status wutah kristal ing wektu nyata, lan kontrol lapangan termal banget pas, cocog materi, lan klempakan pengalaman dibutuhake.
4. Kesulitan ing ekspansi kristal: Ing metode transportasi fase gas, teknologi ekspansi pertumbuhan kristal SiC angel banget. Nalika ukuran kristal mundhak, kangelan wutah mundhak exponentially.
5. Umume kurang ngasilake: Low ngasilake utamané dumadi saka rong pranala: (1) Crystal rod ngasilaken = semikonduktor-bahan kristal rod output / (semikonduktor-bahan kristal rod output + non-semikonduktor-bahan kristal rod output) × 100%; (2) Hasil substrat = output substrat berkualitas/(output substrat berkualitas + output substrat tanpa syarat) × 100%.
Ing preparation saka kualitas dhuwur lan dhuwur-ngasilkesubstrat silikon karbida, inti mbutuhake bahan lapangan termal sing luwih apik kanggo ngontrol suhu produksi kanthi akurat. Kit crucible lapangan termal sing saiki digunakake utamane yaiku bagean struktur grafit kemurnian dhuwur, sing digunakake kanggo panas lan nyawiji bubuk karbon lan bubuk silikon lan tetep anget. Bahan grafit nduweni karakteristik kekuatan spesifik sing dhuwur lan modulus spesifik, resistensi kejut termal sing apik lan resistensi karat, nanging duwe kekurangan sing gampang dioksidasi ing lingkungan oksigen suhu dhuwur, ora tahan amonia, lan tahan goresan sing kurang. Ing proses silikon karbida wutah kristal tunggal lanwafer epitaxial silikon karbidaproduksi, iku angel kanggo ketemu syarat wong tambah kenceng kanggo nggunakake bahan grafit, kang akeh matesi pembangunan lan aplikasi praktis. Mulane, lapisan suhu dhuwur kayata tantalum carbide wis wiwit muncul.
2. Karakteristik sakaTantalum Carbide Coating
Keramik TaC nduweni titik lebur nganti 3880 ℃, kekerasan dhuwur (kekerasan Mohs 9-10), konduktivitas termal gedhe (22W·m-1·K−1), kekuatan lentur gedhe (340-400MPa), lan ekspansi termal cilik. koefisien (6.6×10−6K−1), lan nuduhake stabilitas termokimia lan sifat fisik banget. Nduwe kompatibilitas kimia sing apik lan kompatibilitas mekanik karo grafit lan bahan komposit C / C. Mulane, lapisan TaC digunakake digunakake ing pangayoman termal aerospace, wutah kristal tunggal, elektronik energi, lan peralatan medical.
TaC-dilapisigrafit wis resistance karat kimia luwih saka grafit gundhul utawa SiC-dilapisi grafit, bisa digunakake stably ing suhu dhuwur saka 2600 °, lan ora nanggepi akeh unsur logam. Iku lapisan paling apik ing semikonduktor generasi katelu wutah kristal tunggal lan skenario wafer etsa. Bisa Ngartekno nambah kontrol suhu lan impurities ing proses lan nyiapakewafer silikon karbida berkualitas tinggilan gegandhenganwafer epitaxial. Iku utamané cocok kanggo tuwuh kristal tunggal GaN utawa AlN karo peralatan MOCVD lan akeh kristal tunggal SiC karo peralatan PVT, lan kualitas kristal siji thukul Ngartekno apik.
III. Kaluwihan saka Tantalum Carbide Coated Piranti
Panggunaan lapisan Tantalum Carbide TaC bisa ngatasi masalah cacat pinggiran kristal lan ningkatake kualitas pertumbuhan kristal. Iki minangka salah sawijining pituduh teknis inti "tuwuh kanthi cepet, tuwuh kandel, lan saya suwe saya suwe". Riset industri uga nuduhake yen Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible bisa entuk pemanasan sing luwih seragam, saéngga nyediakake kontrol proses sing apik kanggo pertumbuhan kristal tunggal SiC, saéngga bisa nyuda kemungkinan pembentukan polycrystalline ing pinggir kristal SiC. Kajaba iku, Tantalum Carbide Graphite Coating duwe rong kaluwihan utama:
(I) Ngurangi Cacat SiC
Ing babagan ngontrol cacat kristal tunggal SiC, biasane ana telung cara sing penting. Saliyane ngoptimalake paramèter wutah lan bahan sumber berkualitas tinggi (kayata bubuk sumber SiC), nggunakake Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible uga bisa entuk kualitas kristal sing apik.
Diagram skematis saka grafit crucible konvensional (a) lan TAC coated crucible (b)
Miturut riset dening Universitas Eropah Wétan ing Korea, impurity utama ing wutah kristal SiC punika nitrogen, lan tantalum carbide ditutupi grafit crucibles bisa èfèktif matesi nitrogen penggabungan saka kristal SiC, mangkono ngurangi generasi cacat kayata micropipes lan nambah kristal. kualitas. Panliten nuduhake yen ing kahanan sing padha, konsentrasi operator wafer SiC sing ditanam ing crucibles grafit konvensional lan crucibles dilapisi TAC kira-kira 4,5 × 1017 / cm lan 7,6 × 1015 / cm.
Perbandingan cacat ing kristal tunggal SiC sing ditanam ing crucibles grafit konvensional (a) lan crucibles dilapisi TAC (b)
(II) Ngapikake urip crucibles grafit
Saiki, biaya kristal SiC tetep dhuwur, sing biaya bahan konsumsi grafit kira-kira 30%. Kunci kanggo nyuda biaya bahan bakar grafit yaiku nambah umur layanan. Miturut data saka tim riset Inggris, lapisan tantalum karbida bisa ngluwihi umur layanan komponen grafit kanthi 30-50%. Miturut pitungan iki, mung ngganti tantalum carbide ditutupi grafit bisa nyuda biaya kristal SiC dening 9% -15%.
4. Proses persiapan lapisan karbida Tantalum
Cara persiapan lapisan TaC bisa dipérang dadi telung kategori: metode fase padat, metode fase cair lan metode fase gas. Metode fase padat utamane kalebu metode reduksi lan metode kimia; metode fase cair kalebu metode uyah cair, metode sol-gel (Sol-Gel), metode slurry-sintering, metode nyemprot plasma; metode fase gas kalebu chemical vapor deposition (CVD), chemical vapor infiltration (CVI) lan physical vapor deposition (PVD). Cara sing beda-beda duwe kaluwihan lan kekurangan dhewe. Antarane wong-wong mau, CVD minangka cara sing cukup diwasa lan digunakake kanggo nyiapake lapisan TaC. Kanthi dandan terus-terusan proses kasebut, proses anyar kayata deposisi uap kimia kabel panas lan deposisi uap kimia sing dibantu sinar ion wis dikembangake.
Lapisan TaC bahan adhedhasar karbon sing dimodifikasi utamane kalebu grafit, serat karbon, lan bahan komposit karbon/karbon. Cara kanggo nyiapake lapisan TaC ing grafit kalebu penyemprotan plasma, CVD, sintering slurry, lsp.
Kaluwihan metode CVD: Metode CVD kanggo nyiapake lapisan TaC adhedhasar tantalum halida (TaX5) minangka sumber tantalum lan hidrokarbon (CnHm) minangka sumber karbon. Ing kahanan tartamtu, padha decomposed menyang Ta lan C mungguh, lan banjur nanggepi karo saben liyane kanggo njupuk lapisan TaC. Cara CVD bisa ditindakake ing suhu sing luwih murah, sing bisa ngindhari cacat lan nyuda sifat mekanik sing disebabake dening persiapan suhu dhuwur utawa perawatan lapisan nganti sawetara. Komposisi lan struktur lapisan bisa dikontrol, lan nduweni kaluwihan saka kemurnian dhuwur, Kapadhetan dhuwur, lan kekandelan seragam. Sing luwih penting, komposisi lan struktur lapisan TaC sing disiapake dening CVD bisa dirancang lan gampang dikontrol. Iki minangka cara sing cukup diwasa lan digunakake kanggo nyiapake lapisan TaC sing berkualitas tinggi.
Faktor utama sing mengaruhi proses kalebu:
A. Laju alir gas (sumber tantalum, gas hidrokarbon minangka sumber karbon, gas pembawa, gas pengenceran Ar2, gas pengurangan H2): Owah-owahan laju alir gas nduwe pengaruh gedhe marang medan suhu, medan tekanan, lan medan aliran gas ing kamar reaksi, nyebabake owah-owahan ing komposisi, struktur, lan kinerja lapisan. Nambah tingkat aliran Ar bakal alon mudhun tingkat wutah lapisan lan ngurangi ukuran gandum, nalika rasio massa molar TaCl5, H2, lan C3H6 mengaruhi komposisi lapisan. Rasio molar saka H2 kanggo TaCl5 yaiku (15-20):1, sing luwih cocok. Rasio molar saka TaCl5 nganti C3H6 sacara teoritis cedhak karo 3:1. TaCl5 utawa C3H6 sing berlebihan bakal nyebabake pembentukan Ta2C utawa karbon bebas, sing mengaruhi kualitas wafer.
B. Suhu Deposition: Sing luwih dhuwur suhu Deposition, sing luwih cepet tingkat Deposition, sing luwih gedhe ukuran gandum, lan rougher lapisan. Kajaba iku, suhu lan kacepetan dekomposisi hidrokarbon dadi C lan TaCl5 dekomposisi dadi Ta beda, lan Ta lan C luwih cenderung mbentuk Ta2C. Suhu duwe pengaruh gedhe ing lapisan TaC bahan karbon sing dimodifikasi. Nalika suhu deposisi mundhak, tingkat deposisi mundhak, ukuran partikel mundhak, lan wujud partikel owah saka bunder dadi polyhedral. Kajaba iku, sing luwih dhuwur suhu deposisi, sing luwih cepet dekomposisi TaCl5, sing kurang free C bakal, sing luwih kaku ing lapisan, lan retak bakal gampang kui. Nanging, suhu deposisi sing sithik bakal nyebabake efisiensi deposisi lapisan sing luwih murah, wektu deposisi sing luwih suwe, lan biaya bahan mentah sing luwih dhuwur.
C. tekanan Deposition: meksa Deposition raket related kanggo energi free saka lumahing materi lan bakal mengaruhi wektu panggonan gas ing kamar reaksi, mangkono mengaruhi kacepetan nukleasi lan ukuran partikel saka lapisan. Minangka meksa deposition mundhak, wektu panggonan gas dadi maneh, reaktan duwe wektu luwih kanggo ngalami reaksi nukleasi, tingkat reaksi mundhak, partikel dadi luwih gedhe, lan lapisan dadi luwih kenthel; Kosok baline, minangka meksa Deposition sudo, wektu panggonan gas reaksi cendhak, tingkat reaksi slows mudhun, partikel dadi cilik, lan lapisan luwih tipis, nanging meksa deposition wis sethitik efek ing struktur kristal lan komposisi saka lapisan.
V. Tren pangembangan lapisan tantalum karbida
Koefisien ekspansi termal TaC (6.6×10−6K−1) rada beda karo bahan basis karbon kayata grafit, serat karbon, lan bahan komposit C/C, sing ndadekake lapisan TaC siji fase rentan retak lan ambruk. Supaya luwih ningkatake resistensi ablasi lan oksidasi, stabilitas mekanik suhu dhuwur, lan tahan korosi kimia suhu dhuwur saka lapisan TaC, peneliti wis nganakake riset babagan sistem lapisan kayata sistem lapisan komposit, sistem lapisan sing ditingkatake solusi padhet, lan gradien. sistem coating.
Sistem lapisan komposit kanggo nutup retakan saka lapisan siji. Biasane, lapisan liyane dilebokake ing permukaan utawa lapisan jero TaC kanggo mbentuk sistem lapisan komposit; sistem lapisan penguat solusi ngalangi HfC, ZrC, lan sapiturute duwe struktur kubik sing dipusatake pasuryan sing padha karo TaC, lan loro karbida bisa larut tanpa wates ing saben liyane kanggo mbentuk struktur solusi sing padhet. Lapisan Hf(Ta)C ora retak lan nduweni adhesi sing apik kanggo bahan komposit C/C. Lapisan nduweni kinerja anti-ablasi sing apik banget; lapisan gradien sistem lapisan gradien nuduhake konsentrasi komponen nutupi sadawane arah kekandelan sawijining. Struktur kasebut bisa nyuda stres internal, nambah ketidakcocokan koefisien ekspansi termal, lan supaya ora retak.
(II) Produk piranti lapisan karbida Tantalum
Miturut statistik lan prakiraan QYR (Hengzhou Bozhi), dodolan pasar lapisan karbida tantalum global ing taun 2021 tekan US $ 1.5986 yuta (ora kalebu produk piranti lapisan karbida tantalum sing digawe dhewe lan disedhiyakake dening Cree), lan isih ana ing wiwitan. tahap pangembangan industri.
1. dering expansion Crystal lan crucibles dibutuhake kanggo wutah kristal: Adhedhasar 200 tungku wutah kristal saben perusahaan, pangsa pasar piranti ditutupi TaC dibutuhake dening 30 perusahaan wutah kristal kira 4,7 milyar yuan.
2. tray TaC: Saben tray bisa nggawa 3 wafer, saben tray bisa digunakake kanggo 1 sasi, lan 1 tray migunakaken kanggo saben 100 wafer. 3 yuta wafer mbutuhake 30.000 nampan TaC, saben tray kira-kira 20.000 lembar, lan udakara 600 yuta dibutuhake saben taun.
3. Skenario pengurangan karbon liyane. Kayata lapisan tungku suhu dhuwur, nozzle CVD, pipa tungku, lsp, udakara 100 yuta.
Posting wektu: Jul-02-2024