Trenutačno dominira treća generacija poluvodičasilicijev karbid. U strukturi troškova svojih uređaja supstrat zauzima 47%, a epitaksija 23%. Njih dvoje zajedno čine oko 70%, što je najvažniji diosilicijev karbidlanac proizvodnje uređaja.
Najčešći način pripremesilicijev karbidmonokristali je PVT (fizički transport pare) metoda. Načelo je napraviti sirovine u zoni visoke temperature, a klice kristala u zoni relativno niske temperature. Sirovine se na višoj temperaturi razgrađuju i izravno proizvode tvari u plinovitoj fazi bez tekuće faze. Ove tvari u plinovitoj fazi transportiraju se do zametnog kristala pod pogonom aksijalnog temperaturnog gradijenta, te nukleiraju i rastu na zametnom kristalu kako bi formirali monokristal silicijevog karbida. Trenutno strane tvrtke kao što su Cree, II-VI, SiCrystal, Dow i domaće tvrtke kao što su Tianyue Advanced, Tianke Heda i Century Golden Core koriste ovu metodu.
Postoji više od 200 kristalnih oblika silicijevog karbida, a potrebna je vrlo precizna kontrola za generiranje traženog monokristalnog oblika (glavni tok je 4H kristalni oblik). Prema prospektu tvrtke Tianyue Advanced, prinosi kristalnih šipki tvrtke u razdoblju 2018.-2020. i prvoj polovici 2021. bili su 41%, 38,57%, 50,73% odnosno 49,90%, a prinosi supstrata bili su 72,61%, 75,15%, 70,44% odnosno 75,47%. Sveobuhvatni prinos trenutno iznosi samo 37,7%. Uzimajući glavnu PVT metodu kao primjer, nizak prinos je uglavnom posljedica sljedećih poteškoća u pripremi SiC supstrata:
1. Poteškoće u kontroli temperaturnog polja: SiC kristalne šipke moraju se proizvoditi na visokoj temperaturi od 2500 ℃, dok kristalima silicija treba samo 1500 ℃, pa su potrebne posebne peći za monokristale, a temperaturu rasta treba precizno kontrolirati tijekom proizvodnje , što je izuzetno teško kontrolirati.
2. Spora brzina proizvodnje: Stopa rasta tradicionalnih silicijskih materijala je 300 mm na sat, ali monokristali silicij karbida mogu rasti samo 400 mikrona na sat, što je gotovo 800 puta veća razlika.
3. Visoki zahtjevi za dobrim parametrima proizvoda, a prinos crne kutije teško je kontrolirati na vrijeme: osnovni parametri SiC pločica uključuju gustoću mikrocijevi, gustoću dislokacija, otpornost, iskrivljenost, hrapavost površine itd. Tijekom procesa rasta kristala, to je potrebno za preciznu kontrolu parametara kao što su omjer silicij-ugljik, gradijent temperature rasta, brzina rasta kristala i tlak protoka zraka. Inače će se vjerojatno pojaviti polimorfne inkluzije, što će rezultirati nekvalificiranim kristalima. U crnoj kutiji grafitnog lončića nemoguće je promatrati status rasta kristala u stvarnom vremenu, a potrebna je vrlo precizna kontrola toplinskog polja, usklađivanje materijala i skupljanje iskustva.
4. Poteškoće u ekspanziji kristala: Pod metodom prijenosa plinske faze, tehnologija ekspanzije rasta kristala SiC je izuzetno teška. Kako se veličina kristala povećava, njegove poteškoće u rastu rastu eksponencijalno.
5. Općenito nisko iskorištenje: Nisko iskorištenje uglavnom se sastoji od dvije veze: (1) Iskorištenje kristalne šipke = izlaz poluvodičke kristalne šipke/(izlaz poluvodičke kristalne šipke + izlaz kristalne šipke bez poluvodiča) × 100%; (2) Prinos supstrata = kvalificirani izlaz supstrata/(kvalificirani izlaz supstrata + nekvalificirani izlaz supstrata) × 100%.
U pripremi visoke kvalitete i visokog prinosapodloge od silicij karbida, jezgra treba bolje materijale toplinskog polja za točnu kontrolu proizvodne temperature. Kompleti lončića s toplinskim poljem koji se trenutno koriste uglavnom su strukturni dijelovi od grafita visoke čistoće, koji se koriste za zagrijavanje i taljenje ugljičnog praha i silicij praha i održavanje topline. Grafitni materijali imaju značajke visoke specifične čvrstoće i specifičnog modula, dobre otpornosti na toplinski udar i otpornosti na koroziju, ali imaju nedostatke što se lako oksidiraju u okruženjima s kisikom pri visokim temperaturama, nisu otporni na amonijak i slabu otpornost na ogrebotine. U procesu rasta monokristala silicijevog karbida isilicijev karbid epitaksijalna pločicaproizvodnje, teško je zadovoljiti sve strože zahtjeve ljudi za korištenjem grafitnih materijala, što ozbiljno ograničava njegov razvoj i praktičnu primjenu. Stoga su se počele pojavljivati visokotemperaturne prevlake kao što je tantal karbid.
2. KarakteristikePrevlaka od tantal karbida
TaC keramika ima talište do 3880 ℃, visoku tvrdoću (Mohsova tvrdoća 9-10), veliku toplinsku vodljivost (22W·m-1·K−1), veliku čvrstoću na savijanje (340-400MPa) i malu toplinsku ekspanziju koeficijent (6,6×10−6K−1), te pokazuje izvrsnu termokemijsku stabilnost i izvrsna fizikalna svojstva. Ima dobru kemijsku kompatibilnost i mehaničku kompatibilnost s grafitom i C/C kompozitnim materijalima. Stoga se TaC premaz naširoko koristi u toplinskoj zaštiti zrakoplova, rastu monokristala, energetskoj elektronici i medicinskoj opremi.
Obložen TaCgrafit ima bolju otpornost na kemijsku koroziju od golog grafita ili grafita obloženog SiC-om, može se stabilno koristiti na visokim temperaturama od 2600° i ne reagira s mnogim metalnim elementima. To je najbolja prevlaka u scenarijima rasta monokristala poluvodiča i jetkanja ploče treće generacije. Može značajno poboljšati kontrolu temperature i nečistoća u procesu i pripremivisokokvalitetne pločice od silicij karbidai srodniepitaksijalne pločice. Posebno je prikladan za uzgoj GaN ili AlN monokristala s MOCVD opremom i uzgoj SiC monokristala s PVT opremom, a kvaliteta uzgojenih monokristala značajno je poboljšana.
III. Prednosti uređaja obloženih tantal karbidom
Korištenje TaC prevlake od tantal karbida može riješiti problem defekata rubova kristala i poboljšati kvalitetu rasta kristala. To je jedan od temeljnih tehničkih smjerova "brzog rasta, rasta debljine i rasta dužine". Industrijsko istraživanje također je pokazalo da grafitni lončić obložen tantalovim karbidom može postići ravnomjernije zagrijavanje, čime se osigurava izvrsna kontrola procesa za rast monokristala SiC, čime se značajno smanjuje vjerojatnost formiranja polikristalina na rubu kristala SiC. Osim toga, grafitni premaz tantal karbida ima dvije glavne prednosti:
(I) Smanjenje SiC grešaka
Što se tiče kontrole defekata monokristala SiC, obično postoje tri važna načina. Uz optimiziranje parametara rasta i visokokvalitetnih izvornih materijala (kao što je SiC izvorni prah), upotrebom grafitnog lončića obloženog tantalovim karbidom također se može postići dobra kvaliteta kristala.
Shematski dijagram konvencionalnog grafitnog lončića (a) i lončića obloženog TAC-om (b)
Prema istraživanju Sveučilišta Istočne Europe u Koreji, glavna nečistoća u rastu kristala SiC je dušik, a grafitni lončići presvučeni tantalovim karbidom mogu učinkovito ograničiti ugradnju dušika u kristale SiC, čime se smanjuje stvaranje nedostataka kao što su mikrocijevi i poboljšava kristal kvaliteta. Studije su pokazale da su pod istim uvjetima koncentracije nosača SiC pločica uzgojenih u konvencionalnim grafitnim loncima i loncima obloženim TAC-om približno 4,5×1017/cm odnosno 7,6×1015/cm.
Usporedba nedostataka u monokristalima SiC uzgojenim u konvencionalnim grafitnim loncima (a) i loncima obloženim TAC (b)
(II) Poboljšanje vijeka trajanja grafitnih lonaca
Trenutačno je cijena SiC kristala ostala visoka, od čega cijena grafitnih potrošnih materijala iznosi oko 30%. Ključ za smanjenje troškova potrošnog materijala od grafita je produljenje njegovog vijeka trajanja. Prema podacima britanskog istraživačkog tima, premazi tantal karbida mogu produžiti radni vijek grafitnih komponenti za 30-50%. Prema ovom izračunu, samo zamjena grafita obloženog tantal karbidom može smanjiti cijenu SiC kristala za 9%-15%.
4. Postupak pripreme prevlake tantal karbida
Metode pripreme TaC premaza mogu se podijeliti u tri kategorije: metoda čvrste faze, metoda tekuće faze i metoda plinovite faze. Metoda čvrste faze uglavnom uključuje metodu redukcije i kemijsku metodu; metoda tekuće faze uključuje metodu rastaljene soli, sol-gel metodu (Sol-Gel), metodu sinteriranja u suspenziji, metodu plazma raspršivanja; metoda plinske faze uključuje kemijsko taloženje iz pare (CVD), kemijsku infiltraciju iz pare (CVI) i fizičko taloženje iz pare (PVD). Različite metode imaju svoje prednosti i nedostatke. Među njima, CVD je relativno zrela i široko korištena metoda za pripremu TaC prevlaka. Uz kontinuirano poboljšanje procesa, razvijeni su novi procesi kao što su kemijsko taloženje iz pare vrućom žicom i kemijsko taloženje iz pare potpomognuto ionskom zrakom.
Materijali na bazi ugljika modificirani TaC premazom uglavnom uključuju grafit, ugljična vlakna i kompozitne materijale ugljik/ugljik. Metode za pripremu TaC prevlaka na grafitu uključuju plazma raspršivanje, CVD, sinteriranje u kaši, itd.
Prednosti CVD metode: CVD metoda za pripremu TaC prevlaka temelji se na tantalovom halidu (TaX5) kao izvoru tantala i ugljikovodiku (CnHm) kao izvoru ugljika. Pod određenim uvjetima, oni se razlažu na Ta i C, a zatim međusobno reagiraju da bi se dobile TaC prevlake. CVD metoda može se provoditi na nižoj temperaturi, čime se u određenoj mjeri mogu izbjeći nedostaci i smanjena mehanička svojstva uzrokovana visokotemperaturnom pripremom ili obradom premaza. Sastav i struktura premaza se mogu kontrolirati, a ima prednosti visoke čistoće, visoke gustoće i jednolike debljine. Što je još važnije, sastav i struktura TaC prevlaka pripremljenih CVD-om mogu se dizajnirati i lako kontrolirati. To je relativno zrela i široko korištena metoda za pripremu visokokvalitetnih TaC premaza.
Glavni čimbenici koji utječu na proces uključuju:
A. Brzina protoka plina (izvor tantala, plin ugljikovodika kao izvor ugljika, plin nosač, plin za razrjeđivanje Ar2, redukcijski plin H2): Promjena brzine protoka plina ima veliki utjecaj na temperaturno polje, polje tlaka i polje protoka plina u reakcijsku komoru, što rezultira promjenama u sastavu, strukturi i svojstvima premaza. Povećanje brzine protoka Ar usporit će brzinu rasta premaza i smanjiti veličinu zrna, dok omjer molarne mase TaCl5, H2 i C3H6 utječe na sastav premaza. Molarni omjer H2 prema TaCl5 je (15-20):1, što je prikladnije. Molarni omjer TaCl5 prema C3H6 je teoretski blizu 3:1. Prekomjerna količina TaCl5 ili C3H6 uzrokovat će stvaranje Ta2C ili slobodnog ugljika, što utječe na kvalitetu pločice.
B. Temperatura taloženja: Što je viša temperatura taloženja, to je brža stopa taloženja, veća je veličina zrna, a premaz je grublji. Osim toga, temperatura i brzina razgradnje ugljikovodika u C i razgradnje TaCl5 u Ta su različite, a veća je vjerojatnost da će Ta i C formirati Ta2C. Temperatura ima veliki utjecaj na TaC premaz modificirane ugljične materijale. Kako se temperatura taloženja povećava, brzina taloženja se povećava, veličina čestica se povećava, a oblik čestica se mijenja iz sferičnog u poliedarski. Osim toga, što je viša temperatura taloženja, to je brža razgradnja TaCl5, to će biti manje slobodnog C, veći je stres u prevlaci i pukotine će lako nastati. Međutim, niska temperatura taloženja će dovesti do niže učinkovitosti taloženja premaza, duljeg vremena taloženja i viših troškova sirovina.
C. Tlak taloženja: Tlak taloženja usko je povezan sa slobodnom energijom površine materijala i utjecat će na vrijeme zadržavanja plina u reakcijskoj komori, čime utječe na brzinu nukleacije i veličinu čestica premaza. Kako se tlak taloženja povećava, vrijeme zadržavanja plina postaje dulje, reaktanti imaju više vremena za podvrgavanje reakcijama nukleacije, brzina reakcije se povećava, čestice postaju veće, a premaz postaje deblji; obrnuto, kako se tlak taloženja smanjuje, vrijeme zadržavanja reakcijskog plina je kratko, brzina reakcije usporava, čestice postaju manje, a prevlaka tanja, ali tlak taloženja ima mali učinak na kristalnu strukturu i sastav prevlake.
V. Trend razvoja prevlake tantal karbida
Koeficijent toplinske ekspanzije TaC (6,6×10−6K−1) donekle se razlikuje od koeficijenta toplinskog širenja materijala na bazi ugljika kao što su grafit, ugljična vlakna i C/C kompozitni materijali, što jednofazne TaC prevlake čini sklonima pucanju i otpadanje. Kako bi se dodatno poboljšala otpornost na ablaciju i oksidaciju, mehanička stabilnost na visokim temperaturama i otpornost na visokotemperaturnu kemijsku koroziju TaC premaza, istraživači su proveli istraživanje sustava premaza kao što su kompozitni sustavi premaza, sustavi premaza poboljšani čvrstom otopinom i gradijent sustavi premazivanja.
Kompozitni sustav premaza služi za zatvaranje pukotina jednog premaza. Obično se drugi premazi uvode u površinski ili unutarnji sloj TaC kako bi se formirao kompozitni sustav premaza; sustav premaza za jačanje čvrste otopine HfC, ZrC, itd. imaju istu kubičnu strukturu usmjerenu na površinu kao TaC, a dva karbida mogu biti beskonačno topljiva jedan u drugome kako bi formirala strukturu čvrste otopine. Hf(Ta)C premaz je bez pukotina i dobro prianja na C/C kompozitni materijal. Premaz ima izvrsnu učinkovitost protiv ablacije; sustav gradijentnog premaza gradijentni premaz odnosi se na koncentraciju komponente premaza duž smjera njegove debljine. Struktura može smanjiti unutarnje naprezanje, poboljšati neusklađenost koeficijenata toplinske ekspanzije i izbjeći pukotine.
(II) Proizvodi uređaja za presvlačenje tantal karbidom
Prema statistici i predviđanjima QYR-a (Hengzhou Bozhi), globalna prodaja na tržištu premaza od tantal karbida u 2021. dosegla je 1,5986 milijuna američkih dolara (isključujući proizvode uređaja za premazivanje tantal karbidom tvrtke Cree koji se sami proizvode i isporučuju), a još uvijek je na početku faze razvoja industrije.
1. Kristalni ekspanzijski prstenovi i lončići potrebni za rast kristala: Na temelju 200 peći za rast kristala po poduzeću, tržišni udio uređaja presvučenih TaC-om potrebnih za 30 tvrtki za rast kristala je oko 4,7 milijardi juana.
2. TaC ladice: Svaka ladica može nositi 3 oblatne, svaka ladica se može koristiti 1 mjesec, a na svakih 100 napolitanki se troši 1 ladica. 3 milijuna vafla zahtijeva 30.000 TaC ladica, svaka ladica ima oko 20.000 komada, a svake godine potrebno je oko 600 milijuna.
3. Ostali scenariji smanjenja ugljika. Kao što su obloge peći za visoke temperature, CVD mlaznice, cijevi za peći itd., oko 100 milijuna.
Vrijeme objave: 02. srpnja 2024