Attualmente, a terza generazione di semiconduttori hè duminata dacarburu di siliciu. In a struttura di u costu di i so dispusitivi, u sustrato cuntene 47%, è l'epitassia cunta 23%. I dui inseme cuntenenu circa 70%, chì hè a parte più impurtante di ucarburu di siliciucatena industriale di fabricazione di apparecchi.
U metudu cumunimenti usatu per a preparazionecarburu di siliciui cristalli unichi hè u metudu PVT (trasportu di vapore fisicu). U principiu hè di fà a materia prima in una zona di temperatura alta è u cristallu di sumente in una zona di temperatura relativamente bassa. E materie prime à una temperatura più alta si decomponenu è pruducenu direttamente sustanzi in fase di gas senza fase liquida. Sti sustanzi in fase di gasu sò trasportati à u cristallu di sumente sottu à l'impulsione di u gradiente di temperatura assiale, è nucleate è crescenu à u cristallu di sementa per furmà un cristallu unicu di carburu di silicio. Attualmente, cumpagnie straniere cum'è Cree, II-VI, SiCrystal, Dow è cumpagnie domestiche cum'è Tianyue Advanced, Tianke Heda è Century Golden Core utilizanu tutti stu metudu.
Ci hè più di 200 forme di cristalli di carburu di siliciu, è un cuntrollu assai precisu hè necessariu per generà a forma di cristallu unicu necessariu (u mainstream hè a forma di cristallu 4H). Sicondu u prospectus di Tianyue Advanced, i rendimenti di a barra di cristallo di a cumpagnia in 2018-2020 è H1 2021 eranu 41%, 38.57%, 50.73% è 49.90% rispettivamente, è i rendimenti di u sustrato eranu 72.61%, 75.4%, 75.715%, 75.4% è rispettivamente. U rendimentu cumpletu hè attualmente solu 37.7%. Pigliendu u metudu PVT mainstream cum'è un esempiu, u bassu rendimentu hè principalmente dovutu à e seguenti difficultà in a preparazione di sustrato SiC:
1. Difficultà in u cuntrollu di u campu di a temperatura: i bastoni di cristalli di SiC anu da esse pruduciutu à una temperatura alta di 2500 ℃, mentre chì i cristalli di siliciu solu bisognu di 1500 ℃, cusì sò necessarii forni di cristalli unichi speciali, è a temperatura di crescita deve esse cuntrullata precisamente durante a produzzione. , chì hè assai difficiule di cuntrullà.
2. Velocità di pruduzzione lenta: U ritmu di crescita di i materiali di siliciu tradiziunale hè di 300 mm per ora, ma i cristalli unichi di carbure di siliciu ponu cresce solu 400 microns per ora, chì hè quasi 800 volte a diferenza.
3. Alti requisiti per i boni paràmetri di u produttu, è u rendiment di scatula negra hè difficiule di cuntrullà in u tempu: i paràmetri core di i wafers di SiC includenu a densità di microtube, a densità di dislocazione, a resistività, u warpage, a rugosità di a superficia, etc. Durante u prucessu di crescita di cristalli, hè necessariu per cuntrullà accuratamente i paràmetri, cum'è u rapportu siliciu-carbonu, u gradiente di temperatura di crescita, u tassu di crescita di cristalli è a pressione di u flussu d'aria. Altrimenti, l'inclusioni polimorfe sò prubabilmente accadute, risultatu in cristalli senza qualificazione. In a scatula nera di u crucible di grafite, hè impussibile di osservà u statutu di a crescita di cristalli in tempu reale, è u cuntrollu di u campu termale assai precisu, l'abbinamentu di materiale è l'accumulazione di sperienza sò necessarii.
4. Difficultà in l'espansione di cristalli: Sottu u metudu di trasportu di a fase di gasu, a tecnulugia di espansione di a crescita di cristalli SiC hè assai difficiule. Quandu a dimensione di u cristallu aumenta, a so difficultà di crescita aumenta in modu esponenziale.
5. Rendimentu in generale bassu: U rendimentu bassu hè principalmente cumpostu di dui ligami: (1) Rendimentu di bastone di cristallo = output di bastone di cristallo di qualità semiconductor / (produzione di bastone di cristallo di qualità semiconductor + output di bastone di cristallo non semiconductor) × 100%; (2) Rendimentu di sustrato = output di sustrato qualificatu / (output di sustrato qualificatu + output di sustrato micca qualificatu) × 100%.
In a preparazione di alta qualità è rendimentusubstrati di carburu di siliciu, u core hà bisognu di materiali di campu termale megliu per cuntrullà accuratamente a temperatura di produzzione. I kit di crucible di u campu termale attualmente aduprati sò principarmenti parti strutturali di grafite d'alta purezza, chì sò usati per scaldà è fonde a polvera di carbone è a polvera di silicuu è mantene u caldu. I materiali di grafite anu e caratteristiche di alta forza specifica è modulu specificu, bona resistenza di scossa termale è resistenza à a corrosione, ma anu l'inconvenienti di esse facilmente ossidati in ambienti d'ossigenu d'alta temperatura, micca resistenti à l'ammonia, è a resistenza di scarrafia poviru. In u prucessu di crescita di carburu di siliciu unicu cristallu èwafer epitassiale di carburu di siliciupruduzzione, hè difficiule à scuntrà i bisogni sempri più strette di a ghjente per l'usu di materiali di grafite, chì restringe seriamente u so sviluppu è l'applicazione pratica. Dunque, i rivestimenti à alta temperatura, cum'è u carburu di tantalu, anu cuminciatu à emerge.
2. Caratteristichi diRivestimentu di carburu di tantalu
A ceramica TaC hà un puntu di fusione finu à 3880 ℃, alta durezza (durezza Mohs 9-10), grande conduttività termica (22W·m-1·K-1), grande forza di curvatura (340-400MPa), è una piccula espansione termica. coefficient (6.6 × 10−6K−1), è mostra una stabilità termochimica eccellente è proprietà fisiche eccellenti. Hà una bona cumpatibilità chimica è cumpatibilità meccanica cù grafite è materiali cumposti C / C. Dunque, u revestimentu TaC hè largamente utilizatu in a prutezzione termale aerospaziale, a crescita di cristalli unichi, l'elettronica energetica è l'equipaggiu medicale.
Rivestitu di TaCgrafite hà megliu resistenza à a corrosione chimica chè grafite nudu o grafite SiC-coated, pò ièssiri usatu stably à altu temperature di 2600 °, è ùn reagisce cù parechji elementi metalli. Hè u megliu rivestimentu in i scenarii di crescita di cristalli unichi di semiconduttori di terza generazione è di incisione di wafer. Si pò migliurà significativamente u cuntrollu di a temperatura è impurità in u prucessu è preparanuwafers di carburu di siliciu di alta qualitàè cunnessiwafers epitassiali. Hè soprattuttu adattatu per a crescita di cristalli unichi di GaN o AlN cù l'equipaggiu MOCVD è a crescita di cristalli unichi di SiC cù l'equipaggiu PVT, è a qualità di i cristalli unichi cultivati hè significativamente mejorata.
III. Vantaghji di i dispusitivi rivestiti di carburu di tantalu
L'usu di u revestimentu di Tantaliu Carbide TaC pò risolve u prublema di difetti di u bordu di cristalli è migliurà a qualità di a crescita di cristalli. Hè una di e direzzione tecnicu core di "crescente veloce, crescente grossu, è crescente longu". A ricerca di l'industria hà ancu dimustratu chì Tantaliu Carbide Coated Graphite Crucible pò ottene un riscaldamentu più uniforme, furnisce cusì un cuntrollu di prucessu eccellente per a crescita di cristalli SiC, riducendu cusì significativamente a probabilità di furmazione policristallina à a riva di i cristalli SiC. In più, u Tantaliu Carbide Graphite Coating hà dui vantaghji maiò:
(I) Reducing SiC Difetti
In quantu à cuntrullà i difetti di cristalli unicu di SiC, sò generalmente trè manere impurtanti. In più di l'optimizazione di i paràmetri di crescita è i materiali di fonte d'alta qualità (cum'è u polu di fonte di SiC), cù Tantaliu Carbide Coated Graphite Crucible pò ancu ottene una bona qualità di cristallo.
Schéma schématique du creuset de graphite conventionnel (a) et du creuset recouvert de TAC (b)
Sicondu a ricerca di l'Università di l'Europa di l'Est in Corea, l'impurità principale in a crescita di cristalli SiC hè l'azotu, è i crogioli di grafite rivestiti di carburu di tantalu ponu limità in modu efficace l'incorporazione di nitrogenu di cristalli SiC, riducendu cusì a generazione di difetti cum'è micropipe è migliurà u cristallu. qualità. I studii anu dimustratu chì in e stesse cundizioni, i cuncintrazioni di trasportatore di wafers SiC cultivati in crucibles di grafite cunvinziunali è crucibles rivestiti di TAC sò circa 4,5 × 1017 / cm è 7,6 × 1015 / cm, rispettivamente.
Paragone di difetti in cristalli singoli di SiC cresciuti in crogioli di grafite convenzionali (a) è crogioli rivestiti di TAC (b)
(II) Migliurà a vita di crucibles di grafite
Attualmente, u costu di i cristalli di SiC hè statu altu, di quale u costu di consumables di grafite cuntene circa 30%. A chjave per riduce u costu di i consumabili di grafite hè di aumentà a so vita di serviziu. Sicondu i dati di una squadra di ricerca britannica, i rivestimenti di carburu di tantalu ponu allargà a vita di serviziu di cumpunenti di grafite da 30-50%. Sicondu stu calculu, solu rimpiazzà u grafitu rivestitu di carburu di tantalu pò riduce u costu di cristalli SiC da 9% -15%.
4. prucessu di preparazione di rivestimentu di carburu di tantalu
I metudi di preparazione di rivestimenti TaC ponu esse divisi in trè categurie: u metudu di a fase solida, u metudu di a fase liquida è u metudu di a fase di gas. U metudu di a fase solida include principalmente u metudu di riduzzione è u metudu chimicu; u metudu di a fase liquida include u metudu di sali fusi, u metudu sol-gel (Sol-Gel), u metudu di slurry-sintering, u metudu di spraying plasma; U metudu di a fase di gas include a deposizione di vapore chimicu (CVD), l'infiltrazione di vapore chimicu (CVI) è a deposizione di vapore fisicu (PVD). Diversi metudi anu i so vantaghji è svantaghji. Frà elli, CVD hè un metudu relativamente maturu è largamente utilizatu per a preparazione di rivestimenti TaC. Cù u migliuramentu cuntinuu di u prucessu, sò stati sviluppati novi prucessi, cum'è a deposizione di vapore chimicu à filu caldu è a deposizione di vapore chimica assistita da u fasciu di ioni.
I materiali mudificati in carbonu di u revestimentu TaC includenu principalmente grafite, fibra di carbonu è materiali composti di carbone / carbone. I metudi per a preparazione di rivestimenti TaC nantu à grafite includenu spraying plasma, CVD, slurry sintering, etc.
Vantaghji di u metudu CVD: U metudu CVD per a preparazione di rivestimenti TaC hè basatu annantu à l'alogenuro di tantalu (TaX5) cum'è fonte di tantalu è l'idrocarburu (CnHm) cum'è fonte di carbone. In certi cundizioni, sò scomposti in Ta è C rispettivamente, è poi reagiscenu cù l'altri per ottene rivestimenti TaC. U metudu CVD pò esse realizatu à una temperatura più bassa, chì pò evità i difetti è e proprietà meccaniche ridotte causate da a preparazione à alta temperatura o trattamentu di i rivestimenti à un certu puntu. A cumpusizioni è a struttura di u revestimentu sò cuntrullabili, è hà i vantaghji di alta purità, alta densità è spessore uniforme. A più impurtante, a cumpusizioni è a struttura di i rivestimenti TaC preparati da CVD pò esse designatu è facilmente cuntrullati. Hè un metudu relativamente maturu è largamente utilizatu per a preparazione di rivestimenti TaC d'alta qualità.
I fatturi principali chì influene u prucessu includenu:
A. Flussu di gasu (fonte di tantalu, gasu d'idrocarburu cum'è fonte di carbone, gas di traspurtadore, gas di diluzione Ar2, gasu riduzzione H2): U cambiamentu di u flussu di gasu hà una grande influenza in u campu di a temperatura, u campu di pressione è u campu di u flussu di gas. a camera di reazzione, risultatu in cambiamenti in a cumpusizioni, a struttura è a prestazione di u revestimentu. Aumentà u flussu di Ar ralentisce a crescita di u revestimentu è riduce a dimensione di granu, mentre chì a ratio di massa molare di TaCl5, H2 è C3H6 afecta a cumpusizioni di u revestimentu. U rapportu molare di H2 à TaCl5 hè (15-20): 1, chì hè più adattatu. U rapportu molare di TaCl5 à C3H6 hè teoricamente vicinu à 3: 1. TaCl5 o C3H6 eccessivu pruvucarà a furmazione di Ta2C o carbone liberu, affettendu a qualità di l'ostia.
B. Temperature di depositu: u più altu di a temperatura di depositu, u più veloce di u tassu di depositu, u più grande u granu di granu, è u rougher u revestimentu. Inoltre, a temperatura è a velocità di a descomposizione di l'idrocarburi in C è a descomposizione di TaCl5 in Ta sò diffirenti, è Ta è C sò più prubabile di furmà Ta2C. A temperatura hà una grande influenza nantu à i materiali di carbone mudificati di rivestimentu TaC. Quandu a temperatura di deposizione aumenta, a rata di deposizione aumenta, a dimensione di particella aumenta, è a forma di particella cambia da sferica à poliedrica. Inoltre, più altu hè a temperatura di deposizione, più veloce hè a descomposizione di TaCl5, u menu C liberu serà, u più grande u stress in u revestimentu, è i cracks seranu facilmente generati. Tuttavia, a bassa temperatura di depositu porta à una efficienza di depositu di rivestimentu più bassa, più tempu di depositu, è più alti costi di materia prima.
C. Pressione di Depositu: A pressione di Depositu hè strettamente ligata à l'energia libera di a superficia materiale è affettarà u tempu di residenza di u gasu in a camera di reazzione, affettendu cusì a velocità di nucleazione è a dimensione di particella di u revestimentu. Quandu a pressione di depositu aumenta, u tempu di residenza di u gasu diventa più longu, i reactanti anu più tempu per sottumettenu reazzione di nucleazione, a rata di reazzione aumenta, i particeddi diventanu più grande, è u revestimentu diventa più grossu; u cuntrariu, cum'è a prissioni di depositu diminuite, u tempu di residenza di u gasu di reazione hè cortu, a freccia di reazzione rallenta, i particeddi diventanu più chjuchi, è u revestimentu hè più diluente, ma a pressione di depositu hà pocu effettu nantu à a struttura di cristalli è a cumpusizioni di u revestimentu.
V. Tendenza di sviluppu di revestimentu di carburu di tantalu
U coefficiente di espansione termica di TaC (6,6 × 10−6K−1) hè un pocu sfarente da quellu di i materiali basati in carbonu cum'è grafite, fibra di carbone è materiali compositi C/C, chì rende i rivestimenti TaC monofasi propensi à cracking è. cascà. Per migliurà ulteriormente a resistenza à l'ablazione è l'ossidazione, a stabilità meccanica à alta temperatura, è a resistenza di corrosione chimica à alta temperatura di i rivestimenti TaC, i circadori anu realizatu ricerche nantu à i sistemi di rivestimentu cum'è i sistemi di rivestimentu compositu, i sistemi di rivestimentu solidu rinforzatu, è u gradiente. sistemi di rivestimentu.
U sistema di revestimentu compostu hè di chjude i cracke di una sola capa. Di solitu, altri revestimenti sò intrudutti in a superficia o a capa interna di TaC per furmà un sistema di revestimentu compostu; lu suluzzioni solidu rinfurzà sistema di rivestimentu HfC, ZrC, etc hannu la stessa struttura cubic face-centre cum'è TaC, è i dui carburi pò esse infinitu sulubbili in ogni altru à furmà una struttura suluzione solidu. U revestimentu Hf(Ta)C hè senza crack è hà una bona aderenza à u materiale compositu C/C. U revestimentu hà un eccellente rendimentu anti-ablation; u sistema di rivestimentu di gradiente di rivestimentu di gradiente si riferisce à a cuncentrazione di cumpunenti di u rivestimentu longu a so direzzione di spessore. A struttura pò riduce u stress internu, migliurà a discrepanza di i coefficienti di espansione termica, è evite crack.
(II) prudutti di dispusitivi di rivestimentu di carburu di tantalu
Sicondu e statistiche è e previsioni di QYR (Hengzhou Bozhi), a vendita globale di u mercatu di rivestimentu di carburu di tantalu in 2021 hà righjuntu 1,5986 milioni di $ US (escludendu i prudutti di l'apparecchi di rivestimentu di carburu di tantalu di Cree, autoprodutti è autoforniti), è hè sempre in i primi tempi. fasi di sviluppu di l'industria.
1. Anelli di espansione di cristalli è crucibili necessarii per a crescita di cristalli: Basatu nantu à 200 furnace di crescita di cristalli per impresa, a parte di u mercatu di i dispositi rivestiti TaC necessariu da 30 cumpagnie di crescita di cristalli hè di circa 4,7 miliardi di yuan.
2. Vassoi TaC: Ogni vassellu pò purtà 3 wafers, ogni vassellu pò esse usatu per 1 mese, è 1 tavola hè cunsumata per ogni 100 wafers. 3 milioni di wafers necessitanu 30.000 tavulini TaC, ogni tavula hè di circa 20.000 pezzi, è circa 600 milioni sò necessarii ogni annu.
3. Altri scenarii di riduzzione di carbone. Cum'è furnace lining high-temperature, nozzle CVD, tubi furnace, etc., circa 100 millioni.
Tempu di post: Jul-02-2024