For tiden er tredje generasjon halvledere dominert avsilisiumkarbid. I kostnadsstrukturen til enhetene står substratet for 47%, og epitaksien står for 23%. De to utgjør til sammen ca 70%, som er den viktigste delen avsilisiumkarbidindustrikjede for enhetsproduksjon.
Den mest brukte metoden for tilberedningsilisiumkarbidenkeltkrystaller er PVT-metoden (fysisk damptransport). Prinsippet er å lage råvarene i en høytemperatursone og frøkrystallen i en relativt lavtemperatursone. Råvarene ved høyere temperatur brytes ned og produserer direkte gassfasestoffer uten flytende fase. Disse gassfase-stoffene transporteres til frøkrystallen under driften av den aksiale temperaturgradienten, og kjernener og vokser ved frøkrystallen for å danne en enkeltkrystall av silisiumkarbid. For tiden bruker utenlandske selskaper som Cree, II-VI, SiCrystal, Dow og innenlandske selskaper som Tianyue Advanced, Tianke Heda og Century Golden Core alle denne metoden.
Det er mer enn 200 krystallformer av silisiumkarbid, og veldig presis kontroll er nødvendig for å generere den nødvendige enkeltkrystallformen (hovedstrømmen er 4H-krystallform). I følge Tianyue Advanceds prospekt var selskapets krystallstangutbytte i 2018-2020 og H1 2021 henholdsvis 41%, 38,57%, 50,73% og 49,90%, og substratutbyttet var henholdsvis 72,51% og 72,51% og 72,51%. ly. Total yield er for tiden bare 37,7 %. Ved å ta den vanlige PVT-metoden som et eksempel, skyldes det lave utbyttet hovedsakelig følgende vanskeligheter ved fremstilling av SiC-substrat:
1. Vanskeligheter med temperaturfeltkontroll: SiC krystallstaver må produseres ved en høy temperatur på 2500 ℃, mens silisiumkrystaller bare trenger 1500 ℃, så spesielle enkeltkrystallovner er nødvendig, og veksttemperaturen må kontrolleres nøyaktig under produksjonen , som er ekstremt vanskelig å kontrollere.
2. Langsom produksjonshastighet: Veksthastigheten til tradisjonelle silisiummaterialer er 300 mm i timen, men enkeltkrystaller av silisiumkarbid kan bare vokse 400 mikron per time, som er nesten 800 ganger forskjellen.
3. Høye krav til gode produktparametere, og black box-utbytte er vanskelig å kontrollere i tide: Kjerneparametrene til SiC-skiver inkluderer mikrorørtetthet, dislokasjonstetthet, resistivitet, vridning, overflateruhet osv. Under krystallvekstprosessen er det nødvendig for nøyaktig å kontrollere parametere som silisium-karbonforhold, veksttemperaturgradient, krystallveksthastighet og luftstrømstrykk. Ellers er det sannsynlig at polymorfe inneslutninger oppstår, noe som resulterer i ukvalifiserte krystaller. I den svarte boksen til grafittdigelen er det umulig å observere krystallvekststatusen i sanntid, og det kreves veldig presis termisk feltkontroll, materialtilpasning og erfaringsakkumulering.
4. Vanskeligheter med krystallekspansjon: Under gassfasetransportmetoden er ekspansjonsteknologien til SiC-krystallvekst ekstremt vanskelig. Når krystallstørrelsen øker, øker dens vekstvanskeligheter eksponentielt.
5. Generelt lavt utbytte: Lavt utbytte består hovedsakelig av to ledd: (1) Krystallstangutbytte = krystallstangutgang av halvlederkvalitet/(utgang for halvlederkvalitet + krystallstangutgang i ikke-halvlederkvalitet) × 100%; (2) Substratytelse = kvalifisert substratutgang/(kvalifisert substratutgang + ukvalifisert substratutgang) × 100%.
I utarbeidelsen av høy kvalitet og høy avkastningsilisiumkarbidsubstrater, trenger kjernen bedre termiske feltmaterialer for nøyaktig å kontrollere produksjonstemperaturen. De termiske smeltedigelsettene som for tiden brukes, er hovedsakelig strukturelle deler av grafitt med høy renhet, som brukes til å varme og smelte karbonpulver og silisiumpulver og holde varmen. Grafittmaterialer har egenskapene til høy spesifikk styrke og spesifikk modul, god termisk støtmotstand og korrosjonsmotstand, men de har ulempene ved å lett oksideres i oksygenmiljøer med høy temperatur, ikke motstandsdyktig mot ammoniakk og dårlig ripebestandighet. I prosessen med silisiumkarbid enkeltkrystallvekst ogsilisiumkarbid epitaksial waferproduksjon, er det vanskelig å møte folks stadig strengere krav til bruk av grafittmaterialer, noe som alvorlig begrenser utviklingen og praktisk anvendelse. Derfor har høytemperaturbelegg som tantalkarbid begynt å dukke opp.
2. Kjennetegn påTantalkarbidbelegg
TaC-keramikk har et smeltepunkt på opptil 3880 ℃, høy hardhet (Mohs-hardhet 9-10), stor varmeledningsevne (22W·m-1·K−1), stor bøyestyrke (340-400MPa) og liten termisk utvidelse koeffisient (6,6×10−6K−1), og viser utmerket termokjemisk stabilitet og utmerkede fysiske egenskaper. Den har god kjemisk kompatibilitet og mekanisk kompatibilitet med grafitt og C/C komposittmaterialer. Derfor er TaC-belegg mye brukt i romfarts termisk beskyttelse, enkeltkrystallvekst, energielektronikk og medisinsk utstyr.
TaC-belagtgrafitt har bedre kjemisk korrosjonsbestandighet enn bar grafitt eller SiC-belagt grafitt, kan brukes stabilt ved høye temperaturer på 2600°, og reagerer ikke med mange metallelementer. Det er det beste belegget i tredjegenerasjons halvleder-enkrystallvekst og waferetsing-scenarier. Det kan betydelig forbedre kontrollen av temperatur og urenheter i prosessen og forberedehøykvalitets silisiumkarbidskiverog relatertepitaksiale wafere. Den er spesielt egnet for dyrking av GaN eller AlN enkeltkrystaller med MOCVD utstyr og dyrking av SiC enkeltkrystaller med PVT utstyr, og kvaliteten på de dyrkede enkeltkrystallene er betydelig forbedret.
III. Fordeler med tantalkarbidbelagte enheter
Bruken av Tantalkarbid TaC-belegg kan løse problemet med krystallkantdefekter og forbedre kvaliteten på krystallveksten. Det er en av de tekniske kjerneretningene for å "vokse raskt, vokse seg tykk og bli lang". Industriforskning har også vist at tantalkarbidbelagt grafittdigel kan oppnå jevnere oppvarming, og dermed gi utmerket prosesskontroll for SiC-enkeltkrystallvekst, og reduserer dermed sannsynligheten for polykrystallinsk dannelse ved kanten av SiC-krystaller. I tillegg har tantalkarbidgrafittbelegg to store fordeler:
(I) Redusere SiC-defekter
Når det gjelder å kontrollere SiC-enkrystalldefekter, er det vanligvis tre viktige måter. I tillegg til å optimalisere vekstparametere og kildematerialer av høy kvalitet (som SiC-kildepulver), kan bruk av tantalkarbidbelagt grafittdigel også oppnå god krystallkvalitet.
Skjematisk diagram av konvensjonell grafittdigel (a) og TAC-belagt digel (b)
I følge forskning fra University of Eastern Europe i Korea er den viktigste urenheten i SiC-krystallvekst nitrogen, og tantalkarbidbelagte grafittdigler kan effektivt begrense nitrogeninkorporeringen av SiC-krystaller, og dermed redusere genereringen av defekter som mikrorør og forbedre krystaller. kvalitet. Studier har vist at under de samme forholdene er bærerkonsentrasjonen av SiC-wafere dyrket i konvensjonelle grafittdigler og TAC-belagte digler henholdsvis omtrent 4,5×1017/cm og 7,6×1015/cm.
Sammenligning av defekter i SiC-enkelkrystaller dyrket i konvensjonelle grafittdigler (a) og TAC-belagte digler (b)
(II) Forbedring av levetiden til grafittdigler
For tiden har kostnadene for SiC-krystaller holdt seg høye, hvorav kostnadene for grafittforbruksvarer utgjør omtrent 30%. Nøkkelen til å redusere kostnadene for grafitt forbruksvarer er å øke levetiden. I følge data fra et britisk forskerteam kan tantalkarbidbelegg forlenge levetiden til grafittkomponenter med 30-50 %. I følge denne beregningen kan kun utskifting av den tantalkarbidbelagte grafitten redusere kostnadene for SiC-krystaller med 9%-15%.
4. Fremstillingsprosess for tantalkarbidbelegg
Metoder for klargjøring av TaC-belegg kan deles inn i tre kategorier: fastfasemetoden, væskefasemetoden og gassfasemetoden. Fastfasemetoden inkluderer hovedsakelig reduksjonsmetode og kjemisk metode; væskefasemetoden inkluderer smeltet saltmetode, sol-gelmetode (Sol-Gel), slurry-sintringsmetode, plasmasprøytemetode; gassfasemetoden inkluderer kjemisk dampavsetning (CVD), kjemisk dampinfiltrasjon (CVI) og fysisk dampavsetning (PVD). Ulike metoder har sine egne fordeler og ulemper. Blant dem er CVD en relativt moden og mye brukt metode for å fremstille TaC-belegg. Med den kontinuerlige forbedringen av prosessen, har nye prosesser som varmetrådskjemisk dampavsetning og ionestråleassistert kjemisk dampavsetning blitt utviklet.
TaC-belegg modifiserte karbonbaserte materialer inkluderer hovedsakelig grafitt, karbonfiber og karbon/karbon-komposittmaterialer. Metodene for fremstilling av TaC-belegg på grafitt inkluderer plasmaspraying, CVD, slurry sintring, etc.
Fordeler med CVD-metoden: CVD-metoden for fremstilling av TaC-belegg er basert på tantalhalogenid (TaX5) som tantalkilde og hydrokarbon (CnHm) som karbonkilde. Under visse forhold dekomponeres de til henholdsvis Ta og C, og reagerer deretter med hverandre for å oppnå TaC-belegg. CVD-metoden kan utføres ved lavere temperatur, noe som kan unngå defekter og reduserte mekaniske egenskaper forårsaket av høytemperaturpreparering eller behandling av belegg til en viss grad. Sammensetningen og strukturen til belegget er kontrollerbare, og det har fordelene med høy renhet, høy tetthet og jevn tykkelse. Enda viktigere er at sammensetningen og strukturen til TaC-belegg fremstilt av CVD kan designes og enkelt kontrolleres. Det er en relativt moden og mye brukt metode for fremstilling av høykvalitets TaC-belegg.
De viktigste påvirkningsfaktorene i prosessen inkluderer:
A. Gassstrømningshastighet (tantalkilde, hydrokarbongass som karbonkilde, bæregass, fortynningsgass Ar2, reduserende gass H2): Endringen i gassstrømningshastighet har stor innflytelse på temperaturfeltet, trykkfeltet og gassstrømningsfeltet i reaksjonskammeret, noe som resulterer i endringer i sammensetningen, strukturen og ytelsen til belegget. Økning av Ar-strømningshastigheten vil bremse beleggets veksthastighet og redusere kornstørrelsen, mens det molare masseforholdet til TaCl5, H2 og C3H6 påvirker beleggsammensetningen. Molforholdet mellom H2 og TaCl5 er (15-20):1, som er mer egnet. Molforholdet mellom TaCl5 og C3H6 er teoretisk nær 3:1. For mye TaCl5 eller C3H6 vil forårsake dannelse av Ta2C eller fritt karbon, noe som påvirker kvaliteten på waferen.
B. Deponeringstemperatur: Jo høyere avsetningstemperatur, desto raskere er avsetningshastigheten, desto større kornstørrelse, og desto grovere belegg. I tillegg er temperaturen og hastigheten for hydrokarbonnedbrytning til C og TaCl5-nedbrytning til Ta forskjellige, og Ta og C er mer sannsynlig å danne Ta2C. Temperaturen har stor innflytelse på TaC-belegg modifiserte karbonmaterialer. Når avsetningstemperaturen øker, øker avsetningshastigheten, partikkelstørrelsen øker, og partikkelformen endres fra sfærisk til polyedral. I tillegg, jo høyere avsetningstemperatur, jo raskere nedbrytning av TaCl5, jo mindre fri C vil være, jo større spenning i belegget, og sprekker vil lett bli generert. Imidlertid vil lav avsetningstemperatur føre til lavere beleggavsetningseffektivitet, lengre avsetningstid og høyere råvarekostnader.
C. Avsetningstrykk: Avsetningstrykk er nært knyttet til den frie energien til materialoverflaten og vil påvirke gassens oppholdstid i reaksjonskammeret, og dermed påvirke kjernedannelseshastigheten og partikkelstørrelsen til belegget. Når avsetningstrykket øker, blir gassoppholdstiden lengre, reaktantene har mer tid til å gjennomgå kjernedannelsesreaksjoner, reaksjonshastigheten øker, partiklene blir større og belegget blir tykkere; omvendt, når avsetningstrykket avtar, er reaksjonsgassens oppholdstid kort, reaksjonshastigheten avtar, partiklene blir mindre og belegget er tynnere, men avsetningstrykket har liten effekt på krystallstrukturen og sammensetningen av belegget.
V. Utviklingstrend av tantalkarbidbelegg
Den termiske ekspansjonskoeffisienten til TaC (6,6×10−6K−1) er noe forskjellig fra den for karbonbaserte materialer som grafitt, karbonfiber og C/C-komposittmaterialer, noe som gjør enfasede TaC-belegg utsatt for sprekker og faller av. For ytterligere å forbedre ablasjons- og oksidasjonsmotstanden, mekanisk stabilitet ved høye temperaturer og kjemisk korrosjonsbestandighet ved høye temperaturer til TaC-belegg, har forskere forsket på belegningssystemer som komposittbeleggsystemer, beleggsystemer med solid løsning og gradient. beleggsystemer.
Komposittbeleggsystemet skal lukke sprekkene i et enkelt belegg. Vanligvis blir andre belegg introdusert i overflaten eller det indre laget av TaC for å danne et komposittbeleggsystem; det faste løsningsforsterkende beleggsystemet HfC, ZrC, etc. har samme ansiktssentrerte kubiske struktur som TaC, og de to karbidene kan være uendelig løselige i hverandre for å danne en solid løsningsstruktur. Hf(Ta)C-belegget er sprekkfritt og har god vedheft til C/C-komposittmaterialet. Belegget har utmerket anti-ablasjonsytelse; gradientbeleggsystemet gradientbelegg refererer til beleggskomponentkonsentrasjonen langs tykkelsesretningen. Strukturen kan redusere indre spenninger, forbedre misforholdet mellom termiske ekspansjonskoeffisienter og unngå sprekker.
(II) Tantalkarbid belegg enhet produkter
I følge statistikken og prognosene til QYR (Hengzhou Bozhi), nådde salget av det globale tantalkarbidbeleggsmarkedet i 2021 USD 1,5986 millioner (unntatt Crees egenproduserte og selvforsynte tantalkarbidbeleggsprodukter), og det er fortsatt tidlig ute. stadier av industriutvikling.
1. Krystallekspansjonsringer og smeltedigler som kreves for krystallvekst: Basert på 200 krystallvekstovner per bedrift, er markedsandelen for TaC-belagte enheter som kreves av 30 krystallvekstbedrifter, omtrent 4,7 milliarder yuan.
2. TaC-brett: Hvert brett kan inneholde 3 wafere, hvert brett kan brukes i 1 måned, og 1 brett forbrukes for hver 100 wafere. 3 millioner wafere krever 30 000 TaC-brett, hvert brett er på omtrent 20 000 stykker, og det trengs omtrent 600 millioner hvert år.
3. Andre scenarier for karbonreduksjon. For eksempel høy temperatur ovn fôr, CVD dyse, ovn rør, etc., rundt 100 millioner.
Innleggstid: Jul-02-2024