Šiuo metu dominuoja trečios kartos puslaidininkiaisilicio karbidas. Įrenginių sąnaudų struktūroje substratas sudaro 47%, o epitaksija - 23%. Abu kartu sudaro apie 70%, o tai yra svarbiausia dalissilicio karbidasįrenginių gamybos pramonės grandinė.
Dažniausiai naudojamas paruošimo būdassilicio karbidaspavieniai kristalai yra PVT (fizinio garų transportavimo) metodas. Principas yra, kad žaliavos būtų aukštos temperatūros zonoje, o sėklų kristalai - santykinai žemos temperatūros zonoje. Aukštesnės temperatūros žaliavos suyra ir tiesiogiai gamina dujinės fazės medžiagas be skystosios fazės. Šios dujinės fazės medžiagos yra pernešamos į sėklų kristalą, veikiant ašiniam temperatūros gradientui, ir formuojasi branduoliuose bei auga prie sėklinio kristalo, kad susidarytų silicio karbido monokristalas. Šiuo metu šį metodą naudoja užsienio įmonės, tokios kaip Cree, II-VI, SiCrystal, Dow ir vietinės įmonės, tokios kaip Tianyue Advanced, Tianke Heda ir Century Golden Core.
Egzistuoja daugiau nei 200 silicio karbido kristalų formų, todėl norint sukurti reikiamą monokristalinę formą, reikalingas labai tikslus valdymas (pagrindinė yra 4H kristalų forma). Remiantis „Tianyue Advanced“ prospektu, bendrovės krištolinių strypų išeiga 2018–2020 m. ir 2021 m. I pusmetį buvo atitinkamai 41 %, 38,57 %, 50,73 % ir 49,90 %, o substrato išeiga atitinkamai 72,61 %, 75,15 %, 7 %.4 ir 7 %.4. Bendras pajamingumas šiuo metu siekia tik 37,7%. Kaip pavyzdį imant pagrindinį PVT metodą, mažą išeigą daugiausia lemia šie SiC substrato paruošimo sunkumai:
1. Temperatūros lauko valdymo sunkumai: SiC kristalų strypus reikia gaminti aukštoje 2500 ℃ temperatūroje, o silicio kristalams reikia tik 1500 ℃, todėl reikalingos specialios monokristalinės krosnys, o gamybos metu reikia tiksliai kontroliuoti augimo temperatūrą. , kurį itin sunku suvaldyti.
2. Lėtas gamybos greitis: tradicinių silicio medžiagų augimo greitis yra 300 mm per valandą, tačiau pavieniai silicio karbido kristalai gali augti tik 400 mikronų per valandą, tai yra beveik 800 kartų didesnis skirtumas.
3. Aukšti reikalavimai geriems produkto parametrams, o juodosios dėžės išeigą sunku kontroliuoti laiku: pagrindiniai SiC plokštelių parametrai yra mikrovamzdelių tankis, dislokacijos tankis, savitoji varža, deformacija, paviršiaus šiurkštumas ir kt. Kristalų augimo proceso metu būtini norint tiksliai kontroliuoti tokius parametrus kaip silicio ir anglies santykis, augimo temperatūros gradientas, kristalų augimo greitis ir oro srauto slėgis. Priešingu atveju gali atsirasti polimorfinių intarpų, dėl kurių susidarys nekvalifikuoti kristalai. Grafitinio tiglio juodojoje dėžėje neįmanoma stebėti kristalų augimo būsenos realiu laiku, todėl reikalingas labai tikslus šiluminio lauko valdymas, medžiagų derinimas ir patirties kaupimas.
4. Kristalų plėtimosi sunkumai: Taikant dujų fazės transportavimo metodą, SiC kristalų augimo plėtimosi technologija yra labai sudėtinga. Didėjant kristalo dydžiui, jo augimo sunkumai didėja eksponentiškai.
5. Paprastai maža išeiga: mažą išeigą daugiausia sudaro dvi jungtys: (1) Krištolinio strypo išeiga = puslaidininkinio tipo kristalinio strypo išeiga / (puslaidininkinio tipo kristalinio strypo išeiga + ne puslaidininkinio kristalo strypo išeiga) × 100 %; (2) Substrato išeiga = kvalifikuota substrato išeiga / (kvalifikuota substrato išeiga + nekvalifikuota substrato išeiga) × 100%.
Ruošiant aukštos kokybės ir didelio derlingumosilicio karbido substratai, šerdies reikia geresnių šiluminio lauko medžiagų, kad būtų galima tiksliai kontroliuoti gamybos temperatūrą. Šiuo metu naudojami šiluminio lauko tiglių rinkiniai daugiausia yra didelio grynumo grafito konstrukcinės dalys, naudojamos anglies milteliams ir silicio milteliams šildyti ir išlydyti bei palaikyti šilumą. Grafitinės medžiagos pasižymi dideliu specifiniu stiprumu ir specifiniu moduliu, geru atsparumu šiluminiam smūgiui ir atsparumui korozijai, tačiau turi trūkumų, nes jos lengvai oksiduojasi aukštos temperatūros deguonies aplinkoje, neatsparios amoniakui ir prastai atsparios įbrėžimams. Silicio karbido monokristalų augimo procese irSilicio karbido epitaksinė plokštelėgamyboje sunku įvykdyti vis griežtesnius žmonių reikalavimus dėl grafito medžiagų naudojimo, o tai labai riboja jo plėtrą ir praktinį pritaikymą. Todėl pradėjo atsirasti aukštos temperatūros dangos, tokios kaip tantalo karbidas.
2. CharakteristikosTantalo karbido danga
TaC keramikos lydymosi temperatūra yra iki 3880 ℃, didelis kietumas (Mohso kietumas 9–10), didelis šilumos laidumas (22W·m-1·K−1), didelis atsparumas lenkimui (340–400 MPa) ir mažas šiluminis plėtimasis. koeficientas (6,6×10−6K−1), pasižymi puikiu termocheminiu stabilumu ir puikiomis fizinėmis savybėmis. Jis turi gerą cheminį suderinamumą ir mechaninį suderinamumą su grafitu ir C / C kompozitinėmis medžiagomis. Todėl TaC danga plačiai naudojama aviacijos ir kosmoso šiluminės apsaugos, monokristalų auginimo, energijos elektronikos ir medicinos įrangos srityse.
Padengtas TaCgrafitas pasižymi geresniu atsparumu cheminei korozijai nei plikas grafitas arba SiC dengtas grafitas, gali būti stabiliai naudojamas aukštoje 2600° temperatūroje, nereaguoja su daugeliu metalinių elementų. Tai geriausia danga trečiosios kartos puslaidininkių monokristalų augimo ir plokštelių ėsdinimo scenarijuose. Tai gali žymiai pagerinti temperatūros ir priemaišų kontrolę procese ir paruoštiaukštos kokybės silicio karbido plokštelėsir susijęepitaksinės plokštelės. Ypač tinka GaN arba AlN monokristalams auginti MOCVD įranga ir SiC monokristalams auginti PVT įranga, o išaugintų monokristalų kokybė žymiai pagerėja.
III. Tantalo karbidu dengtų prietaisų privalumai
Tantalo karbido TaC dangos naudojimas gali išspręsti kristalų briaunų defektų problemą ir pagerinti kristalų augimo kokybę. Tai viena iš pagrindinių techninių krypčių „greitai augti, augti storai ir ilgai augti“. Pramonės tyrimai taip pat parodė, kad tantalo karbidu padengtas grafito tiglis gali pasiekti tolygesnį kaitinimą, taip užtikrinant puikų SiC monokristalų augimo procesą, taip žymiai sumažinant polikristalinio susidarymo tikimybę SiC kristalų krašte. Be to, tantalo karbido grafito danga turi du pagrindinius privalumus:
(I) SiC defektų mažinimas
Kalbant apie SiC monokristalų defektų valdymą, paprastai yra trys svarbūs būdai. Naudojant tantalo karbidu padengtą grafito tiglį, galima ne tik optimizuoti augimo parametrus ir aukštos kokybės žaliavas (pvz., SiC šaltinio miltelius), bet ir pasiekti gerą kristalų kokybę.
Įprasto grafito tiglio (a) ir TAC padengto tiglio (b) schema
Remiantis Rytų Europos universiteto Korėjoje atliktais tyrimais, pagrindinė SiC kristalų augimo priemaiša yra azotas, o tantalo karbidu padengti grafito tigliai gali veiksmingai apriboti azoto įsiskverbimą į SiC kristalus ir taip sumažinti defektų, pvz., mikrovamzdžių, susidarymą ir pagerinti kristalų būklę. kokybės. Tyrimai parodė, kad tomis pačiomis sąlygomis nešiklio koncentracija SiC plokštelėse, auginamose įprastuose grafito tigliuose ir TAC dengtuose tigliuose, yra atitinkamai maždaug 4,5 × 1017/cm ir 7,6 × 1015/cm.
SiC monokristalų, auginamų įprastuose grafito tigliuose (a) ir TAC dengtuose tigliuose (b), defektų palyginimas
(II) Gerinti grafito tiglių tarnavimo laiką
Šiuo metu SiC kristalų kaina išliko didelė, iš kurių grafito eksploatacinių medžiagų kaina sudaro apie 30%. Norint sumažinti grafito eksploatacinių medžiagų kainą, svarbiausia yra pailginti jų tarnavimo laiką. Didžiosios Britanijos tyrėjų komandos duomenimis, tantalo karbido dangos gali pailginti grafito komponentų tarnavimo laiką 30-50%. Remiantis šiuo skaičiavimu, tik pakeitus tantalo karbidu padengtą grafitą, SiC kristalų kaina gali sumažėti 9–15%.
4. Tantalo karbido dangos paruošimo procesas
TaC dangos paruošimo metodus galima suskirstyti į tris kategorijas: kietosios fazės metodą, skystosios fazės metodą ir dujinės fazės metodą. Kietosios fazės metodas daugiausia apima redukcijos metodą ir cheminį metodą; skystosios fazės metodas apima išlydytos druskos metodą, sol-gelio metodą (Sol-Gel), suspensijos sukepinimo metodą, plazminio purškimo metodą; dujų fazės metodas apima cheminį nusodinimą iš garų (CVD), cheminį garų infiltraciją (CVI) ir fizinį nusodinimą garais (PVD). Skirtingi metodai turi savų privalumų ir trūkumų. Tarp jų CVD yra gana brandus ir plačiai naudojamas TaC dangų paruošimo metodas. Nuolat tobulinant procesą, buvo sukurti nauji procesai, tokie kaip karštos vielos cheminis nusodinimas garais ir cheminis nusodinimas iš garų jonų pluoštu.
TaC danga modifikuotos anglies pagrindu pagamintos medžiagos daugiausia apima grafitą, anglies pluoštą ir anglies/anglies kompozicines medžiagas. TaC dangų ant grafito paruošimo būdai apima plazminį purškimą, CVD, srutų sukepinimą ir kt.
CVD metodo privalumai: TaC dangų paruošimo CVD metodas pagrįstas tantalo halogenidu (TaX5) kaip tantalo šaltiniu ir angliavandeniliu (CnHm) kaip anglies šaltiniu. Tam tikromis sąlygomis jie suskaidomi į Ta ir C, o tada reaguoja vienas su kitu, kad gautų TaC dangas. CVD metodas gali būti atliekamas žemesnėje temperatūroje, todėl tam tikru mastu galima išvengti defektų ir sumažėjusių mechaninių savybių, atsirandančių dėl dangų paruošimo ar apdorojimo aukštoje temperatūroje. Dangos sudėtis ir struktūra yra kontroliuojama, o jos pranašumai yra didelis grynumas, didelis tankis ir vienodas storis. Dar svarbiau, kad CVD paruoštų TaC dangų sudėtis ir struktūra gali būti suprojektuota ir lengvai valdoma. Tai gana subrendęs ir plačiai naudojamas metodas aukštos kokybės TaC dangoms paruošti.
Pagrindiniai proceso veiksniai yra šie:
A. Dujų srautas (tantalo šaltinis, angliavandenilio dujos kaip anglies šaltinis, nešančiosios dujos, skiedimo dujos Ar2, redukuojančios dujos H2): dujų srauto pokytis turi didelę įtaką temperatūros laukui, slėgio laukui ir dujų srauto laukui. reakcijos kamerą, todėl pasikeičia dangos sudėtis, struktūra ir savybės. Padidinus Ar srautą, sulėtės dangos augimo greitis ir sumažės grūdelių dydis, o molinės masės santykis TaCl5, H2 ir C3H6 paveikia dangos sudėtį. Molinis H2 ir TaCl5 santykis yra (15-20):1, kuris yra tinkamesnis. TaCl5 ir C3H6 molinis santykis teoriškai yra artimas 3:1. Per didelis TaCl5 arba C3H6 sukels Ta2C arba laisvos anglies susidarymą, o tai turės įtakos plokštelės kokybei.
B. Nusodinimo temperatūra: kuo aukštesnė nusodinimo temperatūra, tuo greitesnis nusodinimo greitis, didesnis grūdelių dydis ir šiurkštesnė danga. Be to, skiriasi angliavandenilių skilimo į C ir TaCl5 skilimo į Ta temperatūra ir greitis, todėl iš Ta ir C dažniau susidaro Ta2C. Temperatūra turi didelę įtaką TaC dangos modifikuotoms anglies medžiagoms. Didėjant nusodinimo temperatūrai, didėja nusodinimo greitis, didėja dalelių dydis, o dalelių forma keičiasi iš sferinės į daugiakampę. Be to, kuo aukštesnė nusodinimo temperatūra, tuo greitesnis TaCl5 irimas, tuo mažiau bus laisvo C, tuo didesnis įtempis dangoje, nesunkiai susidarys įtrūkimai. Tačiau žema nusodinimo temperatūra sumažins dangos nusodinimo efektyvumą, ilgesnį nusodinimo laiką ir didesnes žaliavų sąnaudas.
C. Nusodinimo slėgis: Nusodinimo slėgis yra glaudžiai susijęs su laisvąja medžiagos paviršiaus energija ir turės įtakos dujų buvimo laikui reakcijos kameroje, taip paveikdamas branduolio susidarymo greitį ir dangos dalelių dydį. Didėjant nusodinimo slėgiui, dujų buvimo laikas ilgėja, reagentai turi daugiau laiko įvykti branduolių susidarymo reakcijoms, didėja reakcijos greitis, dalelės tampa didesnės, o danga tampa storesnė; ir atvirkščiai, mažėjant nusodinimo slėgiui, reakcijos dujų buvimo laikas trumpėja, reakcijos greitis sulėtėja, dalelės tampa mažesnės, o danga plonesnė, tačiau nusodinimo slėgis turi mažai įtakos dangos kristalų struktūrai ir sudėčiai.
V. Tantalo karbido dangos raidos tendencija
TaC šiluminio plėtimosi koeficientas (6,6 × 10–6K–1) šiek tiek skiriasi nuo anglies pagrindu pagamintų medžiagų, tokių kaip grafitas, anglies pluoštas ir C/C kompozicinės medžiagos, koeficiento, todėl vienfazės TaC dangos yra linkusios įtrūkti ir įtrūkti. nukritęs. Siekdami toliau pagerinti TaC dangų atsparumą abliacijai ir oksidacijai, aukštų temperatūrų mechaninį stabilumą ir atsparumą aukštai temperatūrai cheminei korozijai, mokslininkai atliko dangų sistemų, tokių kaip sudėtinės dangos sistemos, kieto tirpalo dangų sistemos ir gradientas, tyrimus. dengimo sistemos.
Kompozitinė dengimo sistema skirta uždaryti vienos dangos įtrūkimus. Paprastai į paviršių arba vidinį TaC sluoksnį dedamos kitos dangos, kad susidarytų kompozicinė dangų sistema; kietą tirpalą stiprinančios dangos sistemos HfC, ZrC ir tt turi tokią pačią į paviršių nukreiptą kubinę struktūrą kaip ir TaC, o du karbidai gali be galo tirpti vienas kitame, kad susidarytų kieto tirpalo struktūra. Hf(Ta)C danga yra be įtrūkimų ir gerai sukimba su C/C kompozitine medžiaga. Danga pasižymi puikiomis antiabliacinėmis savybėmis; gradientinės dangos sistemos gradientinė danga reiškia dangos komponento koncentraciją jos storio kryptimi. Konstrukcija gali sumažinti vidinį įtempį, pagerinti šiluminio plėtimosi koeficientų neatitikimą ir išvengti įtrūkimų.
(II) Tantalo karbido dengimo prietaisų gaminiai
Pagal QYR (Hengzhou Bozhi) statistiką ir prognozes, 2021 m. pasaulinės tantalo karbido dangų rinkos pardavimai siekė 1,5986 mln. pramonės plėtros etapai.
1. Kristalų plėtimosi žiedai ir tigliai, reikalingi kristalams auginti. Remiantis 200 kristalų auginimo krosnių vienoje įmonėje, TaC dengtų prietaisų, kurių reikia 30 kristalų auginimo įmonių, rinkos dalis yra apie 4,7 mlrd. juanių.
2. TaC padėklai: kiekviename padėkle gali būti 3 vafliai, kiekvienas dėklas gali būti naudojamas 1 mėnesį, o 1 padėklas sunaudojamas 100 vaflių. 3 milijonams plokštelių reikia 30 000 TaC padėklų, kiekvienas dėklas yra apie 20 000 vienetų, o kasmet reikia apie 600 milijonų.
3. Kiti anglies dvideginio mažinimo scenarijai. Tokie kaip aukštos temperatūros krosnies pamušalas, CVD antgalis, krosnių vamzdžiai ir kt., apie 100 mln.
Paskelbimo laikas: 2024-02-02