Tans word die derde generasie halfgeleiers oorheers deursilikonkarbied. In die kostestruktuur van sy toestelle is die substraat verantwoordelik vir 47%, en die epitaksie verantwoordelik vir 23%. Die twee saam is verantwoordelik vir sowat 70%, wat die belangrikste deel van diesilikonkarbiedtoestel vervaardiging industrie ketting.
Die algemeen gebruikte metode vir voorbereidingsilikonkarbiedenkelkristalle is die PVT (fisiese dampvervoer) metode. Die beginsel is om die grondstowwe in 'n hoë temperatuur sone te maak en die saadkristal in 'n relatief lae temperatuur sone. Die grondstowwe by 'n hoër temperatuur ontbind en produseer direk gasfase-stowwe sonder vloeistoffase. Hierdie gasfase stowwe word na die saadkristal vervoer onder die aandrywing van die aksiale temperatuurgradiënt, en kern en groei by die saadkristal om 'n silikonkarbied enkelkristal te vorm. Tans gebruik buitelandse maatskappye soos Cree, II-VI, SiCrystal, Dow en plaaslike maatskappye soos Tianyue Advanced, Tianke Heda en Century Golden Core almal hierdie metode.
Daar is meer as 200 kristalvorme van silikonkarbied, en baie presiese beheer is nodig om die vereiste enkelkristalvorm te genereer (die hoofstroom is 4H kristalvorm). Volgens Tianyue Advanced se prospektus was die maatskappy se kristalstaaf-opbrengste in 2018-2020 en H1 2021 onderskeidelik 41%, 38.57%, 50.73% en 49.90%, en die substraat-opbrengste was 72.51% en 7.61% onderskeidelik ly. Die omvattende opbrengs is tans slegs 37,7%. Met die hoofstroom PVT-metode as 'n voorbeeld, is die lae opbrengs hoofsaaklik te wyte aan die volgende probleme in SiC-substraatvoorbereiding:
1. Moeilikheid met temperatuurveldbeheer: SiC-kristalstawe moet teen 'n hoë temperatuur van 2500 ℃ geproduseer word, terwyl silikonkristalle slegs 1500 ℃ benodig, dus word spesiale enkelkristal-oonde benodig, en die groeitemperatuur moet presies tydens produksie beheer word , wat uiters moeilik is om te beheer.
2. Stadige produksiespoed: Die groeitempo van tradisionele silikonmateriale is 300 mm per uur, maar silikonkarbied-enkelkristalle kan net 400 mikron per uur groei, wat byna 800 keer die verskil is.
3. Hoë vereistes vir goeie produkparameters, en swartboksopbrengs is moeilik om betyds te beheer: Die kernparameters van SiC-wafers sluit in mikrobuisdigtheid, ontwrigtingsdigtheid, weerstand, kromming, oppervlakruwheid, ens. Tydens die kristalgroeiproses is dit nodig om parameters soos silikon-koolstofverhouding, groeitemperatuurgradiënt, kristalgroeitempo en lugvloeidruk akkuraat te beheer. Andersins sal polimorfiese insluitings waarskynlik voorkom, wat lei tot ongekwalifiseerde kristalle. In die swart boks van die grafiet-smeltkroes is dit onmoontlik om die kristalgroeistatus intyds waar te neem, en baie presiese termiese veldbeheer, materiaalpassing en ervaringophoping word vereis.
4. Moeilikheid in kristaluitsetting: Onder die gasfase-vervoermetode is die uitbreidingstegnologie van SiC-kristalgroei uiters moeilik. Soos die kristalgrootte toeneem, neem die groeimoeilikheid daarvan eksponensieel toe.
5. Oor die algemeen lae opbrengs: Lae opbrengs bestaan hoofsaaklik uit twee skakels: (1) Kristalstaafopbrengs = halfgeleier-graad kristalstaaf-uitset/(halfgeleier-graad kristalstaaf-uitset + nie-halfgeleier-graad kristalstaaf-uitset) × 100%; (2) Substraatopbrengs = gekwalifiseerde substraatuitset/(gekwalifiseerde substraatuitset + ongekwalifiseerde substraatuitset) × 100%.
In die voorbereiding van hoë gehalte en hoë opbrengssilikonkarbied substrate, die kern benodig beter termiese veldmateriale om die produksietemperatuur akkuraat te beheer. Die termiese veld-smeltkroesstelle wat tans gebruik word, is hoofsaaklik hoë-suiwer grafiet-struktuurdele, wat gebruik word om koolstofpoeier en silikonpoeier te verhit en te smelt en warm te hou. Grafietmateriale het die eienskappe van hoë spesifieke sterkte en spesifieke modulus, goeie termiese skokweerstand en weerstand teen korrosie, maar hulle het die nadele dat dit maklik in hoë-temperatuur suurstofomgewings geoksideer word, nie bestand is teen ammoniak nie, en swak krapweerstand. In die proses van silikonkarbied enkelkristal groei ensilikonkarbied epitaksiale waferproduksie, is dit moeilik om aan mense se toenemend streng vereistes vir die gebruik van grafietmateriaal te voldoen, wat die ontwikkeling en praktiese toepassing daarvan ernstig beperk. Daarom het hoëtemperatuurbedekkings soos tantaalkarbied begin verskyn.
2. Eienskappe vanTantaalkarbiedbedekking
TaC-keramiek het 'n smeltpunt van tot 3880℃, hoë hardheid (Mohs-hardheid 9-10), groot termiese geleidingsvermoë (22W·m-1·K−1), groot buigsterkte (340-400MPa), en klein termiese uitsetting koëffisiënt (6.6×10−6K−1), en vertoon uitstekende termochemiese stabiliteit en uitstekende fisiese eienskappe. Dit het goeie chemiese verenigbaarheid en meganiese verenigbaarheid met grafiet en C/C saamgestelde materiale. Daarom word TaC-bedekking wyd gebruik in lugvaart-termiese beskerming, enkelkristalgroei, energie-elektronika en mediese toerusting.
TaC-bedektegrafiet het beter chemiese korrosiebestandheid as kaal grafiet of SiC-bedekte grafiet, kan stabiel gebruik word by hoë temperature van 2600°, en reageer nie met baie metaalelemente nie. Dit is die beste laag in die derdegenerasie halfgeleier-enkelkristalgroei- en wafer-etscenario's. Dit kan die beheer van temperatuur en onsuiwerhede in die proses aansienlik verbeter en voorbereihoë kwaliteit silikonkarbiedwafelsen verwanteepitaksiale wafers. Dit is veral geskik vir die groei van GaN- of AlN-enkelkristalle met MOCVD-toerusting en die groei van SiC-enkelkristalle met PVT-toerusting, en die kwaliteit van die gekweekte enkelkristalle word aansienlik verbeter.
III. Voordele van Tantaalkarbied-bedekte toestelle
Die gebruik van Tantalum Carbide TaC-bedekking kan die probleem van kristalranddefekte oplos en die kwaliteit van kristalgroei verbeter. Dit is een van die kern tegniese rigtings van "vinnig groei, dik word en lank word". Bedryfsnavorsing het ook getoon dat Tantaalkarbied-bedekte grafietsmeltkroes meer eenvormige verhitting kan bereik, en daardeur uitstekende prosesbeheer vir SiC-enkelkristalgroei verskaf, en sodoende die waarskynlikheid van polikristallyne vorming aan die rand van SiC-kristalle aansienlik verminder. Daarbenewens het tantaalkarbiedgrafietbedekking twee groot voordele:
(I) Vermindering van SiC-defekte
Wat die beheer van SiC-enkelkristaldefekte betref, is daar gewoonlik drie belangrike maniere. Benewens die optimalisering van groeiparameters en hoëgehalte-bronmateriaal (soos SiC-bronpoeier), kan die gebruik van Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible ook goeie kristalgehalte behaal.
Skematiese diagram van konvensionele grafiet-smeltkroes (a) en TAC-bedekte smeltkroes (b)
Volgens navorsing deur die Universiteit van Oos-Europa in Korea is die vernaamste onsuiwerheid in SiC-kristalgroei stikstof, en tantaalkarbiedbedekte grafietkroesies kan effektief die stikstofinkorporasie van SiC-kristalle beperk, en sodoende die generering van defekte soos mikropype verminder en kristal verbeter. kwaliteit. Studies het getoon dat onder dieselfde toestande, die draerkonsentrasies van SiC-wafers wat in konvensionele grafiet-kroesies en TAC-bedekte smeltkroeses gegroei is, onderskeidelik ongeveer 4.5×1017/cm en 7.6×1015/cm is.
Vergelyking van defekte in SiC-enkelkristalle gegroei in konvensionele grafiet-kroesies (a) en TAC-bedekte smeltkroeë (b)
(II) Verbetering van die lewe van grafiet-kroesies
Tans het die koste van SiC-kristalle hoog gebly, waarvan die koste van grafietverbruiksgoedere sowat 30% uitmaak. Die sleutel tot die vermindering van die koste van grafietverbruiksgoedere is om die lewensduur daarvan te verhoog. Volgens data van 'n Britse navorsingspan kan tantaalkarbiedbedekkings die lewensduur van grafietkomponente met 30-50% verleng. Volgens hierdie berekening kan slegs die vervanging van die tantaalkarbied-bedekte grafiet die koste van SiC-kristalle met 9%-15% verminder.
4. Tantaalkarbiedbedekkingsvoorbereidingsproses
Metodes vir die voorbereiding van TaC-bedekking kan in drie kategorieë verdeel word: vastefasemetode, vloeistoffasemetode en gasfasemetode. Die vastefase-metode sluit hoofsaaklik reduksiemetode en chemiese metode in; die vloeistoffase-metode sluit in gesmelte soutmetode, sol-gel-metode (Sol-Gel), suspensie-sintermetode, plasmaspuitmetode; die gasfasemetode sluit chemiese dampneerslag (CVD), chemiese dampinfiltrasie (CVI) en fisiese dampneerslag (PVD) in. Verskillende metodes het hul eie voordele en nadele. Onder hulle is CVD 'n relatief volwasse en algemeen gebruikte metode vir die voorbereiding van TaC-bedekkings. Met die voortdurende verbetering van die proses, is nuwe prosesse soos warmdraad chemiese dampneerlegging en ioonstraalgesteunde chemiese dampneerlegging ontwikkel.
TaC coating gemodifiseerde koolstof-gebaseerde materiale sluit hoofsaaklik grafiet, koolstofvesel, en koolstof / koolstof saamgestelde materiale. Die metodes vir die voorbereiding van TaC-bedekkings op grafiet sluit in plasmabespuiting, CVD, suspensie sintering, ens.
Voordele van CVD-metode: Die CVD-metode vir die voorbereiding van TaC-bedekkings is gebaseer op tantaalhalied (TaX5) as tantaalbron en koolwaterstof (CnHm) as koolstofbron. Onder sekere omstandighede word hulle onderskeidelik in Ta en C ontbind, en reageer dan met mekaar om TaC-bedekkings te verkry. Die CVD-metode kan by 'n laer temperatuur uitgevoer word, wat defekte en verminderde meganiese eienskappe wat veroorsaak word deur hoë-temperatuur voorbereiding of behandeling van bedekkings tot 'n sekere mate kan vermy. Die samestelling en struktuur van die deklaag is beheerbaar, en dit het die voordele van hoë suiwerheid, hoë digtheid en eenvormige dikte. Belangriker nog, die samestelling en struktuur van TaC-bedekkings wat deur CVD voorberei is, kan ontwerp en maklik beheer word. Dit is 'n relatief volwasse en algemeen gebruikte metode vir die voorbereiding van hoë kwaliteit TaC-bedekkings.
Die kernbeïnvloedende faktore van die proses sluit in:
A. Gasvloeitempo (tantaalbron, koolwaterstofgas as koolstofbron, draergas, verdunningsgas Ar2, reducerende gas H2): Die verandering in gasvloeitempo het 'n groot invloed op die temperatuurveld, drukveld en gasvloeiveld in die reaksiekamer, wat veranderinge in die samestelling, struktuur en werkverrigting van die deklaag tot gevolg het. Die verhoging van die Ar-vloeitempo sal die laaggroeitempo vertraag en die korrelgrootte verminder, terwyl die molêre massaverhouding van TaCl5, H2 en C3H6 die deklaagsamestelling beïnvloed. Die molêre verhouding van H2 tot TaCl5 is (15-20):1, wat meer geskik is. Die molêre verhouding van TaCl5 tot C3H6 is teoreties naby aan 3:1. Oormatige TaCl5 of C3H6 sal die vorming van Ta2C of vrye koolstof veroorsaak, wat die kwaliteit van die wafer beïnvloed.
B. Afsettingstemperatuur: Hoe hoër die afsettingstemperatuur, hoe vinniger is die neerslagtempo, hoe groter is die korrelgrootte, en hoe growwer die laag. Daarbenewens is die temperatuur en spoed van koolwaterstofontbinding in C en TaCl5-ontbinding in Ta verskillend, en Ta en C is meer geneig om Ta2C te vorm. Temperatuur het 'n groot invloed op TaC coating gemodifiseerde koolstof materiale. Soos die neerslagtemperatuur toeneem, neem die neerslagtempo toe, die deeltjiegrootte neem toe en die deeltjievorm verander van sferies na veelvlakkig. Daarbenewens, hoe hoër die neerslagtemperatuur, hoe vinniger die ontbinding van TaCl5, hoe minder vry C sal wees, hoe groter is die spanning in die deklaag, en krake sal maklik gegenereer word. Lae afsettingstemperatuur sal egter lei tot laer laagneerslagdoeltreffendheid, langer afsettingstyd en hoër grondstofkoste.
C. Afsettingsdruk: Afsettingsdruk is nou verwant aan die vrye energie van die materiaaloppervlak en sal die gasverblyftyd in die reaksiekamer beïnvloed, en daardeur die kernvormingspoed en deeltjiegrootte van die deklaag beïnvloed. Soos die neerslagdruk toeneem, word die gasverblyftyd langer, die reaktante het meer tyd om kernvormingsreaksies te ondergaan, die reaksietempo neem toe, die deeltjies word groter en die deklaag word dikker; omgekeerd, soos die afsettingsdruk afneem, is die reaksiegasverblyftyd kort, die reaksietempo vertraag, die deeltjies word kleiner en die laag is dunner, maar die afsettingsdruk het min effek op die kristalstruktuur en samestelling van die laag.
V. Ontwikkelingstendens van tantaalkarbiedbedekking
Die termiese uitsettingskoëffisiënt van TaC (6.6×10−6K−1) verskil ietwat van dié van koolstofgebaseerde materiale soos grafiet, koolstofvesel en C/C saamgestelde materiale, wat enkelfase-TAC-bedekkings geneig maak om te kraak en val af. Ten einde die ablasie- en oksidasieweerstand, hoë-temperatuur meganiese stabiliteit en hoë-temperatuur chemiese korrosiebestandheid van TaC-bedekkings verder te verbeter, het navorsers navorsing gedoen oor bedekkingstelsels soos saamgestelde bedekkingstelsels, soliede oplossing-verbeterde bedekkingstelsels en gradiënt coating stelsels.
Die saamgestelde deklaagstelsel is om die krake van 'n enkele laag toe te maak. Gewoonlik word ander bedekkings in die oppervlak of binneste laag van TaC ingebring om 'n saamgestelde bedekkingstelsel te vorm; die soliede oplossing versterkende deklaagstelsel HfC, ZrC, ens. het dieselfde gesiggesentreerde kubieke struktuur as TaC, en die twee karbiede kan oneindig oplosbaar in mekaar wees om 'n soliede oplossingstruktuur te vorm. Die Hf(Ta)C-bedekking is kraakvry en het goeie adhesie aan die C/C-saamgestelde materiaal. Die deklaag het uitstekende anti-ablasie werkverrigting; die gradiëntbedekkingstelsel gradiëntbedekking verwys na die bedekkingskomponentkonsentrasie langs sy dikterigting. Die struktuur kan interne spanning verminder, die wanverhouding van termiese uitsettingskoëffisiënte verbeter en krake vermy.
(II) Tantaalkarbiedbedekkingstoestelprodukte
Volgens die statistieke en voorspellings van QYR (Hengzhou Bozhi), het die wêreldwye tantaalkarbiedbedekkingsmarkverkope in 2021 US$1,5986 miljoen bereik (uitgesluit Cree se selfvervaardigde en selfversorgde tantaalkarbiedbedekkingstoestelprodukte), en dit is nog in die vroeë stadiums. stadiums van bedryfsontwikkeling.
1. Kristaluitbreidingsringe en smeltkroeë benodig vir kristalgroei: Gebaseer op 200 kristalgroeioonde per onderneming, is die markaandeel van TaC-bedekte toestelle wat deur 30 kristalgroeimaatskappye benodig word, sowat 4,7 miljard yuan.
2. TaC-bakkies: Elke skinkbord kan 3 wafers dra, elke skinkbord kan vir 1 maand gebruik word, en 1 skinkbord word verbruik vir elke 100 wafers. 3 miljoen wafers benodig 30 000 TaC-bakkies, elke skinkbord is ongeveer 20 000 stukke, en ongeveer 600 miljoen word elke jaar benodig.
3. Ander koolstofverminderingscenario's. Soos 'n hoë-temperatuur oond voering, CVD mondstuk, oond pype, ens, ongeveer 100 miljoen.
Postyd: Jul-02-2024