Šobrīd dominē trešās paaudzes pusvadītājisilīcija karbīds. Ierīču izmaksu struktūrā substrāts veido 47%, bet epitaksija - 23%. Abi kopā veido aptuveni 70%, kas ir vissvarīgākā daļasilīcija karbīdsierīču ražošanas nozares ķēde.
Visbiežāk izmantotā gatavošanas metodesilīcija karbīdsmonokristāli ir PVT (fiziskā tvaika transporta) metode. Princips ir izgatavot izejvielas augstas temperatūras zonā un sēklu kristālu salīdzinoši zemas temperatūras zonā. Izejvielas augstākā temperatūrā sadalās un tieši rada gāzes fāzes vielas bez šķidrās fāzes. Šīs gāzes fāzes vielas tiek transportētas uz sēklu kristālu, izmantojot aksiālo temperatūras gradientu, un veidojas kodols un aug pie sēklu kristāla, veidojot silīcija karbīda monokristālu. Pašlaik šo metodi izmanto tādi ārvalstu uzņēmumi kā Cree, II-VI, SiCrystal, Dow un tādi vietējie uzņēmumi kā Tianyue Advanced, Tianke Heda un Century Golden Core.
Ir vairāk nekā 200 silīcija karbīda kristālisko formu, un ir nepieciešama ļoti precīza kontrole, lai radītu nepieciešamo monokristālu formu (galvenā plūsma ir 4H kristāla forma). Saskaņā ar Tianyue Advanced prospektu uzņēmuma kristāla stieņu ienesīgums 2018.–2020. gadā un 2021. gada 1. pusgadā bija attiecīgi 41%, 38,57%, 50,73% un 49,90%, un substrāta iznākums bija attiecīgi 72,61%, 75,15% un 7% .4% un 70,4%. Visaptverošā ienesīgums šobrīd ir tikai 37,7%. Ņemot par piemēru galveno PVT metodi, zemā raža galvenokārt ir saistīta ar šādām grūtībām SiC substrāta sagatavošanā:
1. Grūtības ar temperatūras lauka kontroli: SiC kristāla stieņi ir jāražo augstā temperatūrā 2500 ℃, savukārt silīcija kristāliem nepieciešams tikai 1500 ℃, tāpēc ir nepieciešamas īpašas monokristālu krāsnis, un ražošanas laikā ir precīzi jākontrolē augšanas temperatūra. , ko ir ārkārtīgi grūti kontrolēt.
2. Lēns ražošanas ātrums: tradicionālo silīcija materiālu augšanas ātrums ir 300 mm stundā, bet silīcija karbīda monokristāli var augt tikai par 400 mikroniem stundā, kas ir gandrīz 800 reizes lielāka par starpību.
3. Augstas prasības attiecībā uz labiem produkta parametriem, un melnās kastes ražu ir grūti kontrolēt laikā: SiC vafeļu pamatparametri ietver mikrocaurules blīvumu, dislokācijas blīvumu, pretestību, deformāciju, virsmas raupjumu utt. Kristālu augšanas procesa laikā nepieciešams, lai precīzi kontrolētu tādus parametrus kā silīcija un oglekļa attiecība, augšanas temperatūras gradients, kristālu augšanas ātrums un gaisa plūsmas spiediens. Pretējā gadījumā var rasties polimorfi ieslēgumi, kā rezultātā veidojas nekvalificēti kristāli. Grafīta tīģeļa melnajā kastē nav iespējams novērot kristāla augšanas stāvokli reāllaikā, un ir nepieciešama ļoti precīza termiskā lauka kontrole, materiālu saskaņošana un pieredzes uzkrāšana.
4. Grūtības kristālu izplešanās procesā: izmantojot gāzes fāzes transportēšanas metodi, SiC kristālu augšanas paplašināšanas tehnoloģija ir ārkārtīgi sarežģīta. Palielinoties kristāla izmēram, tā augšanas grūtības palielinās eksponenciāli.
5. Parasti zems ražīgums: zems ražīgums galvenokārt sastāv no divām saitēm: (1) kristāla stieņa iznākums = pusvadītāju kvalitātes kristāla stieņa izvade / (pusvadītāju kvalitātes kristāla stieņa izvade + ne pusvadītāju kvalitātes kristāla stieņa izvade) × 100%; (2) Substrāta iznākums = kvalificēta substrāta izlaide/(kvalificēta substrāta izlaide + nekvalificēta substrāta izlaide) × 100%.
Sagatavojot augstas kvalitātes un augstas ražībassilīcija karbīda substrāti, kodolam ir nepieciešami labāki termiskā lauka materiāli, lai precīzi kontrolētu ražošanas temperatūru. Pašlaik izmantotie termiskā lauka tīģeļu komplekti galvenokārt ir augstas tīrības pakāpes grafīta konstrukcijas daļas, ko izmanto oglekļa pulvera un silīcija pulvera karsēšanai un kausēšanai un siltuma uzturēšanai. Grafīta materiāliem ir raksturīga augsta īpatnējā izturība un īpatnējais modulis, laba termiskā triecienizturība un izturība pret koroziju, taču tiem ir trūkumi, jo tie ir viegli oksidējami augstas temperatūras skābekļa vidē, nav izturīgi pret amonjaku un vāji izturīgi pret skrāpējumiem. Silīcija karbīda monokristālu augšanas procesā unsilīcija karbīda epitaksiālā vafeleražošanā, ir grūti izpildīt cilvēku arvien stingrākas prasības attiecībā uz grafīta materiālu izmantošanu, kas nopietni ierobežo tā attīstību un praktisko pielietojumu. Tāpēc ir sākuši parādīties augstas temperatūras pārklājumi, piemēram, tantala karbīds.
2. RaksturlielumiTantala karbīda pārklājums
TaC keramikas kušanas temperatūra ir līdz 3880 ℃, augsta cietība (Mosa cietība 9–10), liela siltumvadītspēja (22W·m-1·K–1), liela lieces izturība (340–400 MPa) un neliela termiskā izplešanās. koeficients (6,6 × 10–6K–1), un tam ir lieliska termoķīmiskā stabilitāte un lieliskas fizikālās īpašības. Tam ir laba ķīmiskā saderība un mehāniskā savietojamība ar grafītu un C/C kompozītmateriāliem. Tāpēc TaC pārklājumu plaši izmanto kosmosa termiskajā aizsardzībā, monokristālu augšanā, enerģijas elektronikā un medicīnas iekārtās.
Ar TaC pārklājumugrafītam ir labāka ķīmiskā izturība pret koroziju nekā tukšam grafītam vai ar SiC pārklātam grafītam, to var stabili izmantot augstā temperatūrā līdz 2600°, un tas nereaģē ar daudziem metāla elementiem. Tas ir labākais pārklājums trešās paaudzes pusvadītāju monokristālu augšanas un vafeļu kodināšanas scenārijos. Tas var ievērojami uzlabot temperatūras un piemaisījumu kontroli procesā un sagatavotiesaugstas kvalitātes silīcija karbīda vafelesun saistītiepitaksiālās plāksnes. Tas ir īpaši piemērots GaN vai AlN monokristālu audzēšanai ar MOCVD iekārtu un SiC monokristālu audzēšanai ar PVT iekārtām, un ievērojami uzlabojas audzēto monokristālu kvalitāte.
III. Tantala karbīda pārklājumu ierīču priekšrocības
Tantala karbīda TaC pārklājuma izmantošana var atrisināt kristāla malu defektu problēmu un uzlabot kristāla augšanas kvalitāti. Tas ir viens no galvenajiem tehniskajiem virzieniem "ātri augt, augt biezi un augt ilgi". Nozares pētījumi ir arī parādījuši, ka ar tantala karbīda pārklājumu grafīta tīģelis var panākt vienmērīgāku karsēšanu, tādējādi nodrošinot lielisku procesa kontroli SiC monokristālu augšanai, tādējādi ievērojami samazinot polikristāliskas veidošanās iespējamību SiC kristālu malās. Turklāt tantala karbīda grafīta pārklājumam ir divas galvenās priekšrocības:
(I) SiC defektu samazināšana
Runājot par SiC monokristālu defektu kontroli, parasti ir trīs svarīgi veidi. Papildus augšanas parametru un augstas kvalitātes izejmateriālu (piemēram, SiC avota pulvera) optimizēšanai, izmantojot tantala karbīda pārklājumu grafīta tīģeli, var sasniegt arī labu kristāla kvalitāti.
Parastā grafīta tīģeļa (a) un TAC pārklāta tīģeļa (b) shematiskā diagramma
Saskaņā ar Austrumeiropas universitātes Korejā veiktajiem pētījumiem SiC kristālu augšanas galvenais piemaisījums ir slāpeklis, un ar tantala karbīda pārklājumu grafīta tīģeļi var efektīvi ierobežot slāpekļa iekļaušanu SiC kristālos, tādējādi samazinot defektu rašanos, piemēram, mikrocaurules un uzlabojot kristāla stāvokli. kvalitāti. Pētījumi liecina, ka tādos pašos apstākļos parastos grafīta tīģeļos un tīģeļos ar TAC pārklājumu audzēto SiC vafeļu nesēja koncentrācija ir attiecīgi aptuveni 4,5 × 1017/cm un 7,6 × 1015/cm.
SiC monokristālu defektu salīdzinājums, kas audzēts parastajos grafīta tīģeļos (a) un tīģeļos ar TAC pārklājumu (b)
(II) Grafīta tīģeļu kalpošanas laika uzlabošana
Pašlaik SiC kristālu izmaksas ir saglabājušās augstas, no kurām grafīta palīgmateriālu izmaksas veido aptuveni 30%. Galvenais, lai samazinātu grafīta palīgmateriālu izmaksas, ir palielināt to kalpošanas laiku. Saskaņā ar Lielbritānijas pētnieku grupas datiem, tantala karbīda pārklājumi var pagarināt grafīta komponentu kalpošanas laiku par 30-50%. Saskaņā ar šo aprēķinu, tikai nomainot ar tantala karbīdu pārklātu grafītu, SiC kristālu izmaksas var samazināt par 9–15%.
4. Tantala karbīda pārklājuma sagatavošanas process
TaC pārklājuma sagatavošanas metodes var iedalīt trīs kategorijās: cietās fāzes metode, šķidrās fāzes metode un gāzes fāzes metode. Cietās fāzes metode galvenokārt ietver reducēšanas metodi un ķīmisko metodi; šķidrās fāzes metode ietver izkausētā sāls metodi, sol-gēla metodi (Sol-Gel), vircas-saķepināšanas metodi, plazmas izsmidzināšanas metodi; gāzfāzes metode ietver ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD), ķīmisko tvaiku infiltrāciju (CVI) un fizikālo tvaiku pārklāšanu (PVD). Dažādām metodēm ir savas priekšrocības un trūkumi. Starp tiem CVD ir salīdzinoši nobriedusi un plaši izmantota metode TaC pārklājumu sagatavošanai. Nepārtraukti pilnveidojot procesu, ir izstrādāti jauni procesi, piemēram, karsto stiepļu ķīmiskā tvaiku pārklāšana un ķīmiskā tvaiku pārklāšana ar jonu staru palīdzību.
TaC pārklājuma modificētie materiāli uz oglekļa bāzes galvenokārt ietver grafītu, oglekļa šķiedru un oglekļa/oglekļa kompozītmateriālus. Metodes TaC pārklājumu sagatavošanai uz grafīta ietver plazmas izsmidzināšanu, CVD, vircas saķepināšanu utt.
CVD metodes priekšrocības: CVD metode TaC pārklājumu sagatavošanai ir balstīta uz tantala halogenīdu (TaX5) kā tantala avotu un ogļūdeņradi (CnHm) kā oglekļa avotu. Noteiktos apstākļos tie tiek sadalīti attiecīgi Ta un C un pēc tam reaģē viens ar otru, lai iegūtu TaC pārklājumus. CVD metodi var veikt zemākā temperatūrā, kas var izvairīties no defektiem un samazinātām mehāniskajām īpašībām, ko izraisa pārklājumu sagatavošana vai apstrāde augstā temperatūrā zināmā mērā. Pārklājuma sastāvs un struktūra ir kontrolējami, un tam ir augsta tīrības pakāpe, augsts blīvums un vienmērīgs biezums. Vēl svarīgāk ir tas, ka CVD sagatavoto TaC pārklājumu sastāvu un struktūru var izstrādāt un viegli kontrolēt. Tā ir salīdzinoši nobriedusi un plaši izmantota metode augstas kvalitātes TaC pārklājumu sagatavošanai.
Galvenie procesu ietekmējošie faktori ir:
A. Gāzes plūsmas ātrums (tantala avots, ogļūdeņraža gāze kā oglekļa avots, nesējgāze, atšķaidīšanas gāze Ar2, reducējošā gāze H2): Gāzes plūsmas ātruma izmaiņām ir liela ietekme uz temperatūras lauku, spiediena lauku un gāzes plūsmas lauku reakcijas kameru, kā rezultātā mainās pārklājuma sastāvs, struktūra un veiktspēja. Ar plūsmas ātruma palielināšana palēninās pārklājuma augšanas ātrumu un samazinās graudu izmēru, savukārt TaCl5, H2 un C3H6 molārās masas attiecība ietekmē pārklājuma sastāvu. H2 un TaCl5 molārā attiecība ir (15-20):1, kas ir piemērotāka. TaCl5 un C3H6 molārā attiecība teorētiski ir tuvu 3:1. Pārmērīgs TaCl5 vai C3H6 daudzums izraisīs Ta2C vai brīvā oglekļa veidošanos, kas ietekmēs vafeles kvalitāti.
B. Nogulsnēšanās temperatūra: jo augstāka ir nogulsnēšanās temperatūra, jo ātrāks ir nogulsnēšanās ātrums, jo lielāks ir graudu izmērs un raupjāks pārklājums. Turklāt ogļūdeņraža sadalīšanās temperatūra un ātrums par C un TaCl5 sadalīšanās par Ta ir atšķirīgas, un Ta un C, visticamāk, veido Ta2C. Temperatūrai ir liela ietekme uz TaC pārklājuma modificētiem oglekļa materiāliem. Palielinoties nogulsnēšanās temperatūrai, palielinās nogulsnēšanās ātrums, palielinās daļiņu izmērs un daļiņu forma mainās no sfēriskas uz daudzskaldni. Turklāt, jo augstāka ir nogulsnēšanās temperatūra, jo ātrāk notiek TaCl5 sadalīšanās, jo mazāk būs brīvā C, jo lielāks spriegums pārklājumā, un viegli veidosies plaisas. Tomēr zema nogulsnēšanas temperatūra samazinās pārklājuma nogulsnēšanas efektivitāti, ilgāku uzklāšanas laiku un augstākas izejvielu izmaksas.
C. Nogulsnēšanās spiediens: nogulsnēšanās spiediens ir cieši saistīts ar materiāla virsmas brīvo enerģiju un ietekmēs gāzes uzturēšanās laiku reakcijas kamerā, tādējādi ietekmējot pārklājuma kodolu veidošanās ātrumu un daļiņu izmēru. Palielinoties nogulsnēšanās spiedienam, gāzes uzturēšanās laiks kļūst garāks, reaģentiem ir vairāk laika, lai izietu kodolu veidošanās reakcijas, palielinās reakcijas ātrums, daļiņas kļūst lielākas un pārklājums kļūst biezāks; otrādi, samazinoties nogulsnēšanās spiedienam, reakcijas gāzes uzturēšanās laiks ir īss, reakcijas ātrums palēninās, daļiņas kļūst mazākas, un pārklājums ir plānāks, bet nogulsnēšanās spiedienam ir maza ietekme uz pārklājuma kristāla struktūru un sastāvu.
V. Tantala karbīda pārklājuma attīstības tendence
TaC termiskās izplešanās koeficients (6,6 × 10–6K–1) nedaudz atšķiras no oglekļa bāzes materiāliem, piemēram, grafīta, oglekļa šķiedras un C/C kompozītmateriāliem, tādēļ vienfāzes TaC pārklājumi ir pakļauti plaisāšanai un plaisāšanai. nokrītot. Lai vēl vairāk uzlabotu TaC pārklājumu ablācijas un oksidācijas izturību, augstas temperatūras mehānisko stabilitāti un augstas temperatūras ķīmiskās korozijas izturību, pētnieki ir veikuši pētījumus par pārklājumu sistēmām, piemēram, kompozītmateriālu pārklājumu sistēmām, ar cietu šķīdumu uzlabotām pārklājumu sistēmām un gradientu. pārklājumu sistēmas.
Kompozītmateriālu pārklājumu sistēma ir paredzēta viena pārklājuma plaisu aizvēršanai. Parasti TaC virsmā vai iekšējā slānī tiek ievadīti citi pārklājumi, lai izveidotu saliktu pārklājumu sistēmu; cieto šķīdumu stiprinošajai pārklājuma sistēmai HfC, ZrC utt. ir tāda pati uz seju vērsta kubiskā struktūra kā TaC, un abi karbīdi var bezgalīgi šķīst viens otrā, veidojot cietu šķīduma struktūru. Hf(Ta)C pārklājums ir bez plaisām, un tam ir laba saķere ar C/C kompozītmateriālu. Pārklājumam ir lieliska pretablācijas veiktspēja; gradienta pārklājuma sistēmas gradienta pārklājums attiecas uz pārklājuma komponentu koncentrāciju tā biezuma virzienā. Struktūra var samazināt iekšējo spriegumu, uzlabot termiskās izplešanās koeficientu neatbilstību un izvairīties no plaisām.
(II) Tantala karbīda pārklājuma ierīču izstrādājumi
Saskaņā ar QYR (Hengzhou Bozhi) statistiku un prognozēm, pasaules tantala karbīda pārklājumu pārdošanas apjoms 2021. gadā sasniedza 1,5986 miljonus ASV dolāru (neskaitot Cree pašu ražotos un pašu piegādātos tantala karbīda pārklājuma ierīču produktus), un tas joprojām ir agrīnā stadijā. nozares attīstības posmi.
1. Kristālu izplešanās gredzeni un tīģeļi, kas nepieciešami kristālu audzēšanai. Pamatojoties uz 200 kristālu audzēšanas krāsnīm vienā uzņēmumā, 30 kristālu audzēšanas uzņēmumiem nepieciešamo ierīču ar TaC pārklājumu tirgus daļa ir aptuveni 4,7 miljardi juaņu.
2. TaC paplātes: katrā paplātē var ievietot 3 vafeles, katru paplāti var izmantot 1 mēnesi, un 1 paplāte tiek patērēta uz katrām 100 vafelēm. 3 miljoniem vafeļu nepieciešami 30 000 TaC paplātes, katra paplāte ir aptuveni 20 000 gabalu, un katru gadu ir nepieciešami aptuveni 600 miljoni.
3. Citi oglekļa samazināšanas scenāriji. Piemēram, augstas temperatūras krāsns oderējums, CVD sprausla, krāsns caurules utt., aptuveni 100 milj.
Izlikšanas laiks: jūlijs 02-2024