Trenutno dominira treća generacija poluprovodnikasilicijum karbida. U strukturi troškova njegovih uređaja supstrat čini 47%, a epitaksija 23%. To dvoje zajedno čini oko 70%, što je najvažniji diosilicijum karbidalanac industrije proizvodnje uređaja.
Uobičajena metoda pripremesilicijum karbidamonokristala je PVT (fizički transport pare) metoda. Princip je da se sirovine proizvode u zoni visoke temperature, a sjemenski kristal u zoni relativno niskih temperatura. Sirovine na višoj temperaturi se razlažu i direktno proizvode gasovitu fazu bez tečne faze. Ove supstance u gasnoj fazi transportuju se do začetnog kristala pod pogonom aksijalnog temperaturnog gradijenta, stvaraju jezgro i rastu na kristalu setve da formiraju monokristal silicijum karbida. Trenutno, strane kompanije kao što su Cree, II-VI, SiCrystal, Dow i domaće kompanije kao što su Tianyue Advanced, Tianke Heda i Century Golden Core sve koriste ovu metodu.
Postoji više od 200 kristalnih oblika silicijum karbida, a potrebna je vrlo precizna kontrola da bi se stvorio potreban monokristalni oblik (glavni tok je 4H kristalni oblik). Prema prospektu Tianyue Advanced, prinosi kristalnih štapova kompanije u 2018-2020. i 1. polugodištu 2021. bili su 41%, 38,57%, 50,73% i 49,90% respektivno, a prinosi supstrata 72,61%, odnosno 75,74% i 75,74% respektivno. Sveobuhvatni prinos trenutno iznosi samo 37,7%. Uzimajući kao primjer uobičajenu PVT metodu, nizak prinos je uglavnom zbog sljedećih poteškoća u pripremi SiC supstrata:
1. Poteškoće u kontroli temperaturnog polja: SiC kristalne šipke se moraju proizvoditi na visokoj temperaturi od 2500℃, dok kristalima silicijuma treba samo 1500℃, tako da su potrebne posebne peći od monokristala, a temperaturu rasta treba precizno kontrolisati tokom proizvodnje , što je izuzetno teško kontrolisati.
2. Spora brzina proizvodnje: Stopa rasta tradicionalnih silicijumskih materijala je 300 mm na sat, ali monokristali silicijum karbida mogu rasti samo 400 mikrona na sat, što je skoro 800 puta veća razlika.
3. Visoki zahtjevi za dobrim parametrima proizvoda, a prinos crne kutije je teško kontrolisati na vrijeme: Osnovni parametri SiC pločica uključuju gustinu mikrotuba, gustinu dislokacija, otpornost, savijanje, hrapavost površine, itd. Tokom procesa rasta kristala, to je neophodno za preciznu kontrolu parametara kao što su odnos silicijum-ugljik, gradijent temperature rasta, brzina rasta kristala i pritisak vazduha. U suprotnom će vjerovatno doći do polimorfnih inkluzija, što će rezultirati nekvalifikovanim kristalima. U crnoj kutiji grafitnog lončića, nemoguće je posmatrati status rasta kristala u realnom vremenu, a potrebna je vrlo precizna kontrola termičkog polja, usklađivanje materijala i akumulacija iskustva.
4. Poteškoće u ekspanziji kristala: Pod metodom transporta gasne faze, tehnologija ekspanzije rasta kristala SiC je izuzetno teška. Kako se veličina kristala povećava, njegova poteškoća rasta eksponencijalno raste.
5. Općenito nizak prinos: Nizak prinos se uglavnom sastoji od dvije veze: (1) Prinos kristalnog štapa = izlaz kristalnog štapa poluprovodničkog razreda/(izlaz kristalnog štapa za poluprovodničke klase + izlaz kristalnog štapa koji nije poluprovodnički) × 100%; (2) Prinos supstrata = kvalificirani izlaz supstrata/(kvalificirani izlaz supstrata + nekvalifikovani izlaz supstrata) × 100%.
U pripremi je kvalitetan i prinospodloge od silicijum karbida, jezgru su potrebni bolji materijali termičkog polja za preciznu kontrolu temperature proizvodnje. Kompleti lončića za termalno polje koji se trenutno koriste uglavnom su grafitni strukturni dijelovi visoke čistoće, koji se koriste za zagrijavanje i topljenje ugljičnog praha i silicijumskog praha i održavanje topline. Grafitni materijali imaju karakteristike visoke specifične čvrstoće i specifičnog modula, dobre otpornosti na termički udar i otpornosti na koroziju, ali imaju nedostatke što se lako oksidiraju u visokotemperaturnom okruženju kisika, nisu otporni na amonijak i slaba otpornost na ogrebotine. U procesu rasta monokristala silicijum karbida iepitaksijalna ploča od silicijum karbidaproizvodnje, teško je zadovoljiti sve strože zahtjeve ljudi za korištenjem grafitnih materijala, što ozbiljno ograničava njegov razvoj i praktičnu primjenu. Stoga su se počeli pojavljivati premazi na visokim temperaturama kao što je tantal karbid.
2. KarakteristikeTantal-karbid premaz
TaC keramika ima tačku topljenja do 3880℃, visoku tvrdoću (tvrdoća po Mohsu 9-10), veliku toplotnu provodljivost (22W·m-1·K−1), veliku čvrstoću na savijanje (340-400MPa) i malu termičku ekspanziju koeficijent (6,6×10−6K−1), i pokazuje odličnu termohemijsku stabilnost i odlična fizička svojstva. Ima dobru hemijsku kompatibilnost i mehaničku kompatibilnost sa grafitnim i C/C kompozitnim materijalima. Stoga se TaC premaz naširoko koristi u aerosvemirskoj termalnoj zaštiti, rastu monokristala, energetskoj elektronici i medicinskoj opremi.
TaC-coatedgrafit ima bolju otpornost na hemijsku koroziju od golog grafita ili grafita obloženog SiC, može se stabilno koristiti na visokim temperaturama od 2600° i ne reaguje sa mnogim metalnim elementima. To je najbolji premaz u trećoj generaciji poluvodičkih monokristalnih scenarija rasta i jetkanja pločica. Može značajno poboljšati kontrolu temperature i nečistoća u procesu i pripremivisokokvalitetne pločice od silicijum karbidai povezaneepitaksijalne pločice. Posebno je pogodan za uzgoj GaN ili AlN monokristala sa MOCVD opremom i uzgoj SiC monokristala sa PVT opremom, a kvalitet uzgojenih monokristala je značajno poboljšan.
III. Prednosti uređaja obloženih tantal karbidom
Upotreba Tantalum Carbide TaC premaza može riješiti problem defekta ivica kristala i poboljšati kvalitetu rasta kristala. To je jedan od osnovnih tehničkih pravaca „brzog rasta, debljanja i dugog rasta“. Industrijska istraživanja su također pokazala da grafitni lončić obložen tantal-karbidom može postići ujednačenije zagrijavanje, čime se osigurava odlična kontrola procesa za rast monokristala SiC, čime se značajno smanjuje vjerovatnoća polikristalnog formiranja na rubu SiC kristala. Osim toga, tantal karbid grafitni premaz ima dvije glavne prednosti:
(I) Smanjenje SiC defekata
U smislu kontrole SiC monokristalnih defekata, obično postoje tri važna načina. Osim optimizacije parametara rasta i visokokvalitetnih izvornih materijala (kao što je izvorni prah SiC), korištenjem grafitne lonce obložene tantal-karbidom također se može postići dobar kristalni kvalitet.
Šematski dijagram konvencionalnog grafitnog lončića (a) i lončića obloženog TAC-om (b)
Prema istraživanju Univerziteta istočne Evrope u Koreji, glavna nečistoća u rastu kristala SiC je dušik, a grafitne lončiće obložene tantal karbidom mogu efikasno ograničiti ugradnju dušika u kristale SiC, čime se smanjuje stvaranje defekata kao što su mikro cijevi i poboljšavaju kristal kvaliteta. Istraživanja su pokazala 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 defekata u monokristalima SiC uzgojenim u konvencionalnim grafitnim loncima (a) i loncima obloženim TAC (b)
(II) Produženje vijeka trajanja grafitnih lonaca
Trenutno je cijena SiC kristala ostala visoka, od čega trošak potrošnog materijala od grafita čini oko 30%. Ključ za smanjenje troškova potrošnog materijala od grafita je povećanje njegovog vijeka trajanja. Prema podacima britanskog istraživačkog tima, premazi od tantal karbida mogu produžiti vijek trajanja grafitnih komponenti za 30-50%. Prema ovom proračunu, samo zamjena grafita obloženog tantal karbidom može smanjiti cijenu SiC kristala za 9%-15%.
4. Proces pripreme prevlake od tantal karbida
Metode pripreme TaC premaza mogu se podijeliti u tri kategorije: metoda čvrste faze, metoda tekuće faze i metoda plinske faze. Metoda čvrste faze uglavnom uključuje metodu redukcije i hemijsku metodu; metoda tečne faze uključuje metodu rastaljene soli, sol-gel metodu (Sol-Gel), metodu sinterovanja suspenzije, metodu plazma raspršivanja; metoda gasne faze uključuje hemijsko taloženje pare (CVD), hemijsku infiltraciju pare (CVI) i fizičko taloženje pare (PVD). Različite metode imaju svoje prednosti i nedostatke. Među njima, CVD je relativno zrela i široko korištena metoda za pripremu TaC premaza. Uz kontinuirano poboljšanje procesa, razvijeni su novi procesi kao što su hemijsko taloženje pare vrućom žicom i hemijsko taloženje pare uz pomoć ionskog snopa.
TaC premazi modificirani materijali na bazi ugljika uglavnom uključuju grafit, karbonska vlakna i kompozitne materijale ugljik/ugljik. Metode za pripremu TaC premaza na grafitu uključuju plazma raspršivanje, CVD, sinterovanje suspenzije, itd.
Prednosti CVD metode: CVD metoda za pripremu TaC premaza se bazira na tantal halidu (TaX5) kao izvoru tantala i ugljovodoniku (CnHm) kao izvoru ugljika. Pod određenim uslovima, oni se razlažu na Ta i C respektivno, a zatim međusobno reaguju da bi se dobile TaC prevlake. CVD metoda se može izvoditi na nižoj temperaturi, čime se u određenoj mjeri mogu izbjeći defekti i smanjena mehanička svojstva uzrokovana visokotemperaturnom pripremom ili obradom premaza. Sastav i struktura premaza se mogu kontrolirati, a prednosti su visoke čistoće, velike gustine i ujednačene debljine. Što je još važnije, sastav i struktura TaC premaza pripremljenih CVD-om mogu se dizajnirati i lako kontrolisati. To je relativno zrela i široko korištena metoda za pripremu visokokvalitetnih TaC premaza.
Ključni faktori koji utiču na proces uključuju:
A. Brzina protoka gasa (izvor tantala, gas ugljovodonika kao izvor ugljenika, gas nosač, gas za razređivanje Ar2, redukcioni gas H2): Promena brzine protoka gasa ima veliki uticaj na temperaturno polje, polje pritiska i polje protoka gasa u reakcijsku komoru, što rezultira promjenama u sastavu, strukturi i performansama premaza. Povećanje brzine protoka Ar će usporiti brzinu rasta premaza i smanjiti veličinu zrna, dok omjer molarne mase TaCl5, H2 i C3H6 utječe na sastav premaza. Molarni odnos H2 prema TaCl5 je (15-20):1, što je prikladnije. Molarni omjer TaCl5 prema C3H6 je teoretski blizu 3:1. Prekomjerni TaCl5 ili C3H6 će uzrokovati stvaranje Ta2C ili slobodnog ugljika, što će utjecati na kvalitetu pločice.
B. Temperatura taloženja: Što je viša temperatura taloženja, to je brža brzina taloženja, veća je veličina zrna i grublji premaz. Osim toga, temperatura i brzina razgradnje ugljovodonika u C i TaCl5 razgradnje u Ta su različite, a veća je vjerovatnoća da Ta i C formiraju Ta2C. Temperatura ima veliki utjecaj na modificirane ugljične materijale za TaC premaz. Kako temperatura taloženja raste, brzina taloženja se povećava, veličina čestica se povećava, a oblik čestice se mijenja iz sfernog u poliedarski. Osim toga, što je viša temperatura taloženja, brža je razgradnja TaCl5, to će biti manje slobodnog C, veći je napon u premazu, a pukotine će se lako generirati. Međutim, niska temperatura taloženja će dovesti do niže efikasnosti nanošenja premaza, dužeg vremena taloženja i većih troškova sirovina.
C. Pritisak taloženja: Pritisak taloženja je usko povezan sa slobodnom energijom površine materijala i utiče na vreme zadržavanja gasa u reakcionoj komori, čime utiče na brzinu nukleacije i veličinu čestica premaza. Kako se pritisak taloženja povećava, vrijeme zadržavanja plina postaje duže, reaktanti imaju više vremena da se podvrgnu reakcijama nukleacije, brzina reakcije se povećava, čestice postaju veće, a premaz postaje deblji; obrnuto, kako se pritisak taloženja smanjuje, vrijeme zadržavanja reakcijskog plina je kratko, brzina reakcije se usporava, čestice postaju manje, a premaz je tanji, ali pritisak taloženja ima mali utjecaj na kristalnu strukturu i sastav prevlake.
V. Trend razvoja prevlake od tantal karbida
Koeficijent termičke ekspanzije TaC (6,6×10−6K−1) donekle se razlikuje od koeficijenta na bazi ugljika kao što su grafit, karbonska vlakna i C/C kompozitni materijali, što čini jednofazne TaC premaze sklonim pucanju i pada. Kako bi dodatno poboljšali otpornost na ablaciju i oksidaciju, mehaničku stabilnost pri visokim temperaturama i otpornost na hemijsku koroziju na visokim temperaturama TaC premaza, istraživači su sproveli istraživanja na sistemima premaza kao što su kompozitni sistemi premaza, sistemi premaza poboljšani čvrstim rastvorom i gradijent sistemi premaza.
Sistem kompozitnog premaza služi za zatvaranje pukotina jednog premaza. Obično se drugi premazi uvode u površinu ili unutrašnji sloj TaC-a kako bi se formirao kompozitni sistem premaza; sistem prevlake za ojačavanje čvrstog rastvora HfC, ZrC, itd. imaju istu kubičnu strukturu sa središtem lica kao i TaC, a dva karbida mogu biti beskonačno rastvorljiva jedan u drugom da formiraju strukturu čvrstog rastvora. Hf(Ta)C premaz je bez pukotina i ima dobru adheziju na C/C kompozitni materijal. Premaz ima odlične performanse protiv ablacije; Gradijentni sistem premaza Gradijentni premaz se odnosi na koncentraciju komponente premaza duž smjera debljine. Struktura može smanjiti unutrašnje naprezanje, poboljšati neusklađenost koeficijenata toplinskog širenja i izbjeći pukotine.
(II) Proizvodi uređaja za premazivanje od tantal karbida
Prema statistikama i predviđanjima QYR-a (Hengzhou Bozhi), globalna prodaja na tržištu premaza od tantal karbida u 2021. godini dostigla je 1,5986 miliona američkih dolara (bez Cree-ovih proizvoda za premazivanje od tantal karbida koji se samostalno proizvode) i još uvijek je u ranoj faze razvoja industrije.
1. Kristalni ekspanzioni prstenovi i lončići potrebni za rast kristala: Na osnovu 200 peći za rast kristala po preduzeću, tržišni udio uređaja obloženih TaC-om potrebnih za 30 kompanija za uzgoj kristala je oko 4,7 milijardi juana.
2. TaC tacne: Svaki poslužavnik može da nosi 3 oblatne, svaki poslužavnik se može koristiti 1 mesec, a 1 poslužavnik se troši na svakih 100 vafla. Za 3 miliona vafla potrebno je 30.000 TaC tacni, svaki poslužavnik ima oko 20.000 komada, a potrebno je oko 600 miliona svake godine.
3. Drugi scenariji smanjenja ugljika. Kao što su visokotemperaturna obloga peći, CVD mlaznica, cijevi peći, itd., oko 100 milijuna.
Vrijeme objave: Jul-02-2024