V súčasnosti dominuje tretia generácia polovodičovkarbid kremíka. V štruktúre nákladov jeho zariadení predstavuje substrát 47 % a epitaxia predstavuje 23 %. Tieto dve spolu tvoria asi 70 %, čo je najdôležitejšia časťkarbid kremíkapriemyselný reťazec výroby zariadení.
Bežne používaný spôsob prípravykarbid kremíkamonokryštálov je metóda PVT (fyzikálny transport pár). Princípom je vyrobiť suroviny v zóne s vysokou teplotou a zárodočný kryštál v zóne s relatívne nízkou teplotou. Suroviny sa pri vyššej teplote rozkladajú a priamo produkujú látky v plynnej fáze bez kvapalnej fázy. Tieto látky v plynnej fáze sú transportované do zárodočného kryštálu pod vplyvom axiálneho teplotného gradientu a nukleujú a rastú v zárodočnom kryštáli za vzniku monokryštálu karbidu kremíka. V súčasnosti túto metódu používajú zahraničné spoločnosti ako Cree, II-VI, SiCrystal, Dow a domáce spoločnosti ako Tianyue Advanced, Tianke Heda a Century Golden Core.
Existuje viac ako 200 kryštalických foriem karbidu kremíka a na vytvorenie požadovanej monokryštálovej formy je potrebná veľmi presná kontrola (hlavný prúd je 4H kryštalická forma). Podľa prospektu spoločnosti Tianyue Advanced boli výnosy krištáľových tyčí spoločnosti v rokoch 2018-2020 a H1 2021 41 %, 38,57 %, 50,73 % a 49,90 %, v uvedenom poradí, a výnosy substrátu boli 72,61 %, 75,44 %, 70,7 % a 70,7 %. Komplexný výnos je v súčasnosti len 37,7 %. Ak vezmeme ako príklad hlavnú metódu PVT, nízky výťažok je spôsobený najmä nasledujúcimi ťažkosťami pri príprave substrátu SiC:
1. Ťažkosti s reguláciou teplotného poľa: SiC kryštálové tyče sa musia vyrábať pri vysokej teplote 2500 ℃, zatiaľ čo kremíkové kryštály potrebujú iba 1500 ℃, takže sú potrebné špeciálne monokryštálové pece a počas výroby je potrebné presne kontrolovať teplotu rastu , ktorý je mimoriadne náročný na ovládanie.
2. Pomalá rýchlosť výroby: Rýchlosť rastu tradičných kremíkových materiálov je 300 mm za hodinu, ale monokryštály karbidu kremíka môžu rásť iba 400 mikrónov za hodinu, čo je takmer 800-násobok rozdielu.
3. Vysoké požiadavky na dobré parametre produktu a výťažok čiernej skrinky je ťažké kontrolovať v čase: Medzi základné parametre doštičiek SiC patrí hustota mikrotrubíc, hustota dislokácií, merný odpor, deformácia, drsnosť povrchu atď. Počas procesu rastu kryštálov je potrebné na presnú kontrolu parametrov, ako je pomer kremík-uhlík, gradient teploty rastu, rýchlosť rastu kryštálov a tlak prúdenia vzduchu. V opačnom prípade sa pravdepodobne vyskytnú polymorfné inklúzie, ktorých výsledkom sú nekvalifikované kryštály. V čiernej skrinke grafitového téglika nie je možné sledovať stav rastu kryštálov v reálnom čase a vyžaduje sa veľmi presné riadenie tepelného poľa, prispôsobenie materiálu a akumulácia skúseností.
4. Ťažkosti s expanziou kryštálov: Pri metóde transportu v plynnej fáze je expanzná technológia rastu kryštálov SiC extrémne náročná. Keď sa veľkosť kryštálov zväčšuje, jeho rastové ťažkosti sa exponenciálne zvyšujú.
5. Všeobecne nízky výťažok: Nízky výťažok pozostáva hlavne z dvoch článkov: (1) výťažok kryštálovej tyče = výstup kryštálovej tyče polovodičovej kvality/(výstup kryštálovej tyče polovodičovej kvality + výstup kryštálovej tyče nepolovodičovej kvality) × 100 %; (2) Výdatnosť substrátu = kvalifikovaný výstup substrátu/(kvalifikovaný výstup substrátu + nekvalifikovaný výstup substrátu) × 100 %.
Pri príprave vysoko kvalitné a vysoko výnosnésubstráty z karbidu kremíka, jadro potrebuje lepšie materiály tepelného poľa na presnú kontrolu výrobnej teploty. Súpravy téglikov s tepelným poľom, ktoré sa v súčasnosti používajú, sú hlavne konštrukčné diely z vysoko čistého grafitu, ktoré sa používajú na zahrievanie a tavenie uhlíkového prášku a kremíkového prášku a udržiavanie tepla. Grafitové materiály sa vyznačujú vysokou špecifickou pevnosťou a špecifickým modulom, dobrou odolnosťou proti tepelným šokom a odolnosťou proti korózii, ale majú nevýhodu v tom, že sa ľahko oxidujú v prostredí s vysokou teplotou kyslíka, nie sú odolné voči amoniaku a majú slabú odolnosť proti poškriabaniu. V procese rastu monokryštálov karbidu kremíka aepitaxný plátok z karbidu kremíkavýroby, je ťažké splniť čoraz prísnejšie požiadavky ľudí na používanie grafitových materiálov, čo vážne obmedzuje jeho vývoj a praktické využitie. Preto sa začali objavovať vysokoteplotné povlaky, ako je karbid tantalu.
2. CharakteristikaPovlak z karbidu tantalu
Keramika TaC má bod topenia až 3880 ℃, vysokú tvrdosť (tvrdosť podľa Mohsa 9-10), veľkú tepelnú vodivosť (22W·m-1·K-1), veľkú pevnosť v ohybe (340-400MPa) a malú tepelnú rozťažnosť koeficient (6,6×10−6K−1) a vykazuje vynikajúcu termochemickú stabilitu a vynikajúce fyzikálne vlastnosti. Má dobrú chemickú kompatibilitu a mechanickú kompatibilitu s grafitovými a C/C kompozitnými materiálmi. Preto je povlak TaC široko používaný v leteckej tepelnej ochrane, raste monokryštálov, energetickej elektronike a lekárskych zariadeniach.
Potiahnuté TaCgrafit má lepšiu chemickú odolnosť proti korózii ako grafit bez povrchovej úpravy alebo grafit potiahnutý SiC, možno ho stabilne používať pri vysokých teplotách 2600 °C a nereaguje s mnohými kovovými prvkami. Je to najlepší povlak v scenároch rastu polovodičových monokryštálov a leptaní plátkov tretej generácie. Môže výrazne zlepšiť kontrolu teploty a nečistôt v procese a prípravevysokokvalitné doštičky z karbidu kremíkaa súvisiaceepitaxné doštičky. Je vhodný najmä na pestovanie monokryštálov GaN alebo AlN s MOCVD zariadením a pestovanie SiC monokryštálov s PVT zariadením a výrazne sa zlepšuje kvalita pestovaných monokryštálov.
III. Výhody zariadení potiahnutých karbidom tantalu
Použitie povlaku karbidu tantalu TaC môže vyriešiť problém defektov okrajov kryštálov a zlepšiť kvalitu rastu kryštálov. Je to jeden zo základných technických smerov „rýchly rast, zhrubnutie a dlhého rastu“. Priemyselný výskum tiež ukázal, že grafitový téglik potiahnutý karbidom tantalu môže dosiahnuť rovnomernejšie zahrievanie, čím poskytuje vynikajúcu kontrolu procesu rastu monokryštálov SiC, čím sa výrazne znižuje pravdepodobnosť polykryštalickej tvorby na okraji kryštálov SiC. Okrem toho má grafitový povlak z karbidu tantalu dve hlavné výhody:
(I) Zníženie defektov SiC
Pokiaľ ide o kontrolu defektov monokryštálov SiC, zvyčajne existujú tri dôležité spôsoby. Okrem optimalizácie rastových parametrov a vysokokvalitných zdrojových materiálov (ako je práškový zdroj SiC) je možné pomocou grafitového téglika potiahnutého karbidom tantalu dosiahnuť aj dobrú kvalitu kryštálov.
Schematický diagram bežného grafitového téglika (a) a téglika potiahnutého TAC (b)
Podľa výskumu University of Eastern Europe v Kórei je hlavnou nečistotou pri raste kryštálov SiC dusík a grafitové tégliky potiahnuté karbidom tantalu môžu účinne obmedziť inkorporáciu dusíka do kryštálov SiC, čím sa zníži tvorba defektov, ako sú mikrorúrky a zlepší sa kryštál. kvalitu. Štúdie ukázali, že za rovnakých podmienok sú koncentrácie nosiča SiC doštičiek pestovaných v bežných grafitových téglikoch a téglikoch potiahnutých TAC približne 4,5 x 1017/cm a 7,6 x 1015/cm, v tomto poradí.
Porovnanie defektov monokryštálov SiC pestovaných v bežných grafitových téglikoch (a) a téglikoch potiahnutých TAC (b)
(II) Zlepšenie životnosti grafitových téglikov
V súčasnosti zostávajú náklady na kryštály SiC vysoké, z čoho náklady na grafitový spotrebný materiál tvoria asi 30 %. Kľúčom k zníženiu nákladov na grafitový spotrebný materiál je zvýšenie jeho životnosti. Podľa údajov britského výskumného tímu môžu povlaky z karbidu tantalu predĺžiť životnosť grafitových komponentov o 30 – 50 %. Podľa tohto výpočtu len nahradenie grafitu potiahnutého karbidom tantalu môže znížiť cenu kryštálov SiC o 9 % až 15 %.
4. Proces prípravy povlaku karbidu tantalu
Metódy prípravy povlaku TaC možno rozdeliť do troch kategórií: metóda v pevnej fáze, metóda v kvapalnej fáze a metóda v plynnej fáze. Metóda na pevnej fáze zahŕňa hlavne redukčnú metódu a chemickú metódu; metóda v kvapalnej fáze zahŕňa metódu roztavenej soli, metódu sol-gél (Sol-Gel), metódu spekania v suspenzii, metódu plazmového striekania; metóda v plynnej fáze zahŕňa chemickú depozíciu z pár (CVD), chemickú infiltráciu z pár (CVI) a fyzikálnu depozíciu z pár (PVD). Rôzne metódy majú svoje výhody a nevýhody. Medzi nimi je CVD relatívne vyspelou a široko používanou metódou na prípravu povlakov TaC. S neustálym zdokonaľovaním procesu boli vyvinuté nové procesy, ako je chemické nanášanie pár horúcim drôtom a chemické nanášanie pár pomocou iónového lúča.
Materiály na báze uhlíka modifikované povlakom TaC zahŕňajú najmä grafit, uhlíkové vlákna a kompozitné materiály uhlík/uhlík. Spôsoby prípravy povlakov TaC na grafite zahŕňajú plazmové striekanie, CVD, spekanie v suspenzii atď.
Výhody metódy CVD: Metóda CVD na prípravu povlakov TaC je založená na halogenide tantalu (TaX5) ako zdroji tantalu a uhľovodíku (CnHm) ako zdroji uhlíka. Za určitých podmienok sa rozkladajú na Ta a C a potom navzájom reagujú, aby sa získali povlaky TaC. Metóda CVD sa môže uskutočňovať pri nižšej teplote, čím sa dá do určitej miery vyhnúť defektom a zníženým mechanickým vlastnostiam spôsobeným vysokoteplotnou prípravou alebo úpravou povlakov. Zloženie a štruktúra povlaku sú kontrolovateľné a má výhody vysokej čistoty, vysokej hustoty a rovnomernej hrúbky. Dôležitejšie je, že zloženie a štruktúra povlakov TaC pripravených pomocou CVD možno navrhnúť a ľahko kontrolovať. Ide o pomerne vyspelú a široko používanú metódu prípravy vysokokvalitných povlakov TaC.
Medzi hlavné faktory, ktoré tento proces ovplyvňujú, patria:
A. Prietok plynu (zdroj tantalu, uhľovodíkový plyn ako zdroj uhlíka, nosný plyn, riediaci plyn Ar2, redukčný plyn H2): Zmena prietoku plynu má veľký vplyv na teplotné pole, tlakové pole a pole prietoku plynu v reakčnej komory, čo má za následok zmeny v zložení, štruktúre a výkone povlaku. Zvýšenie prietoku Ar spomalí rýchlosť rastu povlaku a zníži veľkosť zŕn, zatiaľ čo pomer molárnych hmotností TaCl5, H2 a C3H6 ovplyvňuje zloženie povlaku. Molárny pomer H2 k TaCl5 je (15-20):1, čo je vhodnejšie. Molárny pomer TaCl5 k C3H6 je teoreticky blízky 3:1. Nadmerné množstvo TaCl5 alebo C3H6 spôsobí tvorbu Ta2C alebo voľného uhlíka, čo ovplyvní kvalitu plátku.
B. Teplota nanášania: Čím vyššia je teplota nanášania, tým vyššia je rýchlosť nanášania, tým väčšia je veľkosť zrna a hrubší povlak. Okrem toho, teplota a rýchlosť rozkladu uhľovodíkov na C a rozkladu TaCl5 na Ta sú odlišné a Ta a C s väčšou pravdepodobnosťou vytvárajú Ta2C. Teplota má veľký vplyv na TaC povlak modifikovaných uhlíkových materiálov. So zvyšujúcou sa teplotou nanášania sa zvyšuje rýchlosť nanášania, zväčšuje sa veľkosť častíc a tvar častíc sa mení zo sférického na mnohostenný. Okrem toho, čím vyššia je teplota nanášania, tým rýchlejší je rozklad TaCl5, tým menej voľného C bude, tým väčšie je napätie v povlaku a ľahko vzniknú trhliny. Nízka teplota nanášania však povedie k nižšej účinnosti nanášania povlaku, dlhšiemu času nanášania a vyšším nákladom na suroviny.
C. Depozičný tlak: Depozičný tlak úzko súvisí s voľnou energiou povrchu materiálu a ovplyvní čas zotrvania plynu v reakčnej komore, čím ovplyvní rýchlosť tvorby zárodkov a veľkosť častíc povlaku. Keď sa tlak nanášania zvyšuje, čas zdržania plynu sa predlžuje, reaktanty majú viac času na podstúpenie nukleačných reakcií, rýchlosť reakcie sa zvyšuje, častice sa zväčšujú a povlak sa stáva silnejším; naopak, keď sa tlak nanášania znižuje, čas zotrvania reakčného plynu je krátky, rýchlosť reakcie sa spomaľuje, častice sa zmenšujú a povlak je tenší, ale tlak nanášania má malý vplyv na kryštálovú štruktúru a zloženie povlaku.
V. Vývojový trend povlakovania karbidu tantalu
Koeficient tepelnej rozťažnosti TaC (6,6 × 10-6K-1) sa trochu líši od koeficientu materiálov na báze uhlíka, ako je grafit, uhlíkové vlákna a kompozitné materiály C/C, vďaka čomu sú jednofázové povlaky TaC náchylné na praskanie a praskanie. odpadávať. Aby sa ďalej zlepšila odolnosť proti ablácii a oxidácii, mechanická stabilita pri vysokých teplotách a odolnosť proti chemickej korózii TaC povlakov pri vysokých teplotách, výskumníci vykonali výskum povlakových systémov, ako sú kompozitné povlakové systémy, povlakové systémy s vylepšeným tuhým roztokom a gradient náterové systémy.
Kompozitný náterový systém má uzavrieť trhliny jedného náteru. Zvyčajne sa do povrchovej alebo vnútornej vrstvy TaC zavedú ďalšie povlaky, aby sa vytvoril kompozitný povlakový systém; povlakový systém spevňujúci tuhý roztok HfC, ZrC atď. má rovnakú plošne centrovanú kubickú štruktúru ako TaC a dva karbidy môžu byť navzájom neobmedzene rozpustné, aby vytvorili štruktúru tuhého roztoku. Povlak Hf(Ta)C je bez trhlín a má dobrú priľnavosť ku kompozitnému materiálu C/C. Povlak má vynikajúci antiablačný výkon; gradientový povlak systému povlaku sa týka koncentrácie zložky povlaku v smere jeho hrúbky. Štruktúra môže znížiť vnútorné napätie, zlepšiť nesúlad koeficientov tepelnej rozťažnosti a vyhnúť sa prasklinám.
(II) Produkty zariadení na poťahovanie karbidu tantalu
Podľa štatistík a predpovedí QYR (Hengzhou Bozhi), celosvetový predaj na trhu s povlakom z karbidu tantalu v roku 2021 dosiahol 1,5986 milióna USD (okrem produktov Cree vyrábaných a dodávaných samostatne) a je stále na začiatku. etapy rozvoja priemyslu.
1. Kryštálové expanzné krúžky a tégliky potrebné na rast kryštálov: Na základe 200 pecí na rast kryštálov na podnik je trhový podiel zariadení potiahnutých TaC požadovaných 30 spoločnosťami zaoberajúcimi sa rastom kryštálov približne 4,7 miliardy juanov.
2. TaC tácky: Každá tácka môže obsahovať 3 oblátky, každá tácka sa môže používať 1 mesiac a 1 tácka sa spotrebuje na každých 100 oblátok. 3 milióny doštičiek vyžadujú 30 000 tácok TaC, každá tácka má približne 20 000 kusov a každý rok je potrebných približne 600 miliónov.
3. Ďalšie scenáre znižovania emisií uhlíka. Ako je obloženie vysokoteplotnej pece, dýza CVD, rúry pece atď., Asi 100 miliónov.
Čas odoslania: júl-02-2024