Jelenleg a félvezetők harmadik generációját uraljaszilícium-karbid. Eszközeinek költségszerkezetében a szubsztrát 47%-ot, az epitaxia 23%-ot tesz ki. A kettő együtt körülbelül 70%-ot tesz ki, ami a legfontosabb része aszilícium-karbidkészülékgyártó ipari lánc.
Az általánosan használt elkészítési módszilícium-karbidAz egykristályok a PVT (fizikai gőzszállítás) módszer. Az alapelv az, hogy a nyersanyagokat magas hőmérsékletű zónában, a magkristályt pedig viszonylag alacsony hőmérsékletű zónában készítsék el. A magasabb hőmérsékletű nyersanyagok lebomlanak, és közvetlenül gázfázisú anyagokat állítanak elő folyadékfázis nélkül. Ezek a gázfázisú anyagok az axiális hőmérsékleti gradiens hatására az oltókristályhoz jutnak, és az oltókristályon gócképződnek és nőnek, hogy szilícium-karbid egykristályt képezzenek. Jelenleg a külföldi cégek, mint például a Cree, a II-VI, a SiCrystal, a Dow és a hazai cégek, mint például a Tianyue Advanced, a Tianke Heda és a Century Golden Core mind ezt a módszert alkalmazzák.
A szilícium-karbidnak több mint 200 kristályformája létezik, és nagyon pontos szabályozás szükséges a kívánt egykristályforma létrehozásához (a fő áram a 4H kristályforma). A Tianyue Advanced tájékoztatója szerint a vállalat kristályrúd-hozama 2018-2020-ban és 2021 első félévében 41%, 38,57%, 50,73% és 49,90%, a szubsztrátumhozamok pedig 72,61%, 75,15% és 7,4% 7,4% 70,4%. Az átfogó hozam jelenleg csak 37,7%. A főáramú PVT-módszert példának vesszük, az alacsony hozam elsősorban a SiC szubsztrátum-előkészítés következő nehézségeinek tudható be:
1. Hőmérséklet-térszabályozás nehézségei: A SiC kristály rudakat magas, 2500 ℃ hőmérsékleten kell előállítani, míg a szilícium kristályoknak csak 1500 ℃ hőmérsékletre van szükségük, ezért speciális egykristályos kemencékre van szükség, és a növekedési hőmérsékletet a gyártás során pontosan szabályozni kell , amit rendkívül nehéz ellenőrizni.
2. Lassú gyártási sebesség: A hagyományos szilícium anyagok növekedési üteme óránként 300 mm, de a szilícium-karbid egykristályok óránként csak 400 mikront tudnak növekedni, ami közel 800-szorosa a különbségnek.
3. Magas követelmények a jó termékparaméterekkel szemben, és a fekete doboz hozamát nehéz időben ellenőrizni: A SiC lapkák alapvető paraméterei közé tartozik a mikrocső sűrűsége, diszlokációs sűrűsége, fajlagos ellenállása, vetemedése, felületi érdessége stb. A kristálynövekedési folyamat során olyan paraméterek pontos szabályozásához, mint a szilícium-szén arány, a növekedési hőmérséklet gradiens, a kristálynövekedés sebessége és a légáramlási nyomás. Ellenkező esetben valószínűleg polimorf zárványok fordulnak elő, amelyek minősíthetetlen kristályokat eredményeznek. A grafittégely fekete dobozában lehetetlen valós időben megfigyelni a kristálynövekedés állapotát, nagyon precíz termikus térszabályozás, anyagillesztés, tapasztalatgyűjtés szükséges.
4. A kristálytágítás nehézségei: A gázfázisú transzport módszerrel a SiC kristálynövekedés expanziós technológiája rendkívül nehéz. A kristályméret növekedésével a növekedési nehézségek exponenciálisan növekszik.
5. Általában alacsony hozam: Az alacsony hozam főként két kapcsolatból tevődik össze: (1) Kristályrúd hozama = félvezető minőségű kristályrúd kimenet/(félvezető minőségű kristályrúd kimenet + nem félvezető minőségű kristályrúd kimenet) × 100%; (2) Szubsztráthozam = minősített szubsztrát-kibocsátás/(minősített szubsztrát-kibocsátás + nem minősített szubsztrát-kibocsátás) × 100%.
A minőségi és nagy hozamú elkészítésébenszilícium-karbid hordozók, a magnak jobb hőtér-anyagokra van szüksége a gyártási hőmérséklet pontos szabályozásához. A jelenleg használt termikus tértégely-készletek főként nagy tisztaságú grafit szerkezeti részek, amelyeket szénpor és szilíciumpor melegítésére és olvasztására, valamint melegen tartására használnak. A grafit anyagok jellemzői a nagy fajlagos szilárdság és fajlagos modulus, jó hősokkállóság és korrózióállóság, de hátrányuk, hogy magas hőmérsékletű oxigénes környezetben könnyen oxidálódnak, nem ellenállnak az ammóniának és rossz a karcállóság. A szilícium-karbid egykristály-növekedés folyamatában ésszilícium-karbid epitaxiális lapkaA gyártás során nehéz eleget tenni az emberek egyre szigorúbb követelményeinek a grafit anyagok felhasználásával szemben, ami komolyan korlátozza annak fejlesztését és gyakorlati alkalmazását. Ezért elkezdtek megjelenni a magas hőmérsékletű bevonatok, például a tantál-karbid.
2. JellemzőiTantál-karbid bevonat
A TaC kerámia olvadáspontja akár 3880 ℃, nagy keménységű (Mohs-keménység 9-10), nagy hővezető képességgel (22W·m-1·K-1), nagy hajlítószilárdsággal (340-400 MPa) és kicsi a hőtágulása együttható (6,6×10-6K-1), kiváló termokémiai stabilitást és kiváló fizikai tulajdonságokat mutat. Jó kémiai és mechanikai kompatibilitása van grafittal és C/C kompozit anyagokkal. Ezért a TaC bevonatot széles körben használják az űrhajózási hővédelemben, az egykristály növekedésben, az energiaelektronikában és az orvosi berendezésekben.
TaC bevonattala grafit kémiai korrózióállósága jobb, mint a csupasz grafit vagy SiC bevonatú grafit, stabilan használható magas, 2600°-os hőmérsékleten, és nem lép reakcióba sok fém elemmel. Ez a legjobb bevonat a harmadik generációs félvezető egykristály növekedési és ostyamaratási forgatókönyveiben. Jelentősen javíthatja a hőmérséklet és a szennyeződések szabályozását a folyamatban és az előkészítésbenkiváló minőségű szilícium-karbid lapkákés kapcsolódóepitaxiális ostyák. Különösen alkalmas GaN vagy AlN egykristályok MOCVD berendezéssel, SiC egykristályok termesztésére PVT berendezéssel, és a termesztett egykristályok minősége jelentősen javul.
III. A tantál-karbid bevonatú készülékek előnyei
A Tantál Carbide TaC bevonat használata megoldhatja a kristályélhibák problémáját és javíthatja a kristálynövekedés minőségét. Ez a „gyors növekedés, vastagság és hosszú növekedés” egyik alapvető technikai iránya. Az iparági kutatások azt is kimutatták, hogy a tantál-karbid bevonatú grafittégely egyenletesebb melegítést tud elérni, ezáltal kiváló folyamatszabályozást biztosít a SiC egykristály növekedéséhez, így jelentősen csökkenti a polikristályosodás valószínűségét a SiC kristályok szélén. Ezenkívül a tantál-karbid-grafit bevonatnak két fő előnye is van:
(I) SiC hibák csökkentése
A szilícium-karbid egykristály-hibáinak szabályozása szempontjából általában három fontos módszer létezik. A növekedési paraméterek és a jó minőségű alapanyagok (például SiC forráspor) optimalizálása mellett a tantál-karbid bevonatú grafittégely jó kristályminőséget is elérhet.
A hagyományos grafittégely (a) és a TAC bevonatos tégely (b) sematikus diagramja
A koreai Kelet-Európai Egyetem kutatása szerint a szilícium-karbid kristálynövekedés fő szennyezője a nitrogén, a tantál-karbiddal bevont grafittégelyek pedig hatékonyan korlátozhatják a SiC kristályok nitrogénbeépülését, ezáltal csökkentve a hibák, például a mikrocsövek kialakulását és javítva a kristály minőségét. minőség. Tanulmányok kimutatták, hogy azonos körülmények között a hagyományos grafittégelyekben és a TAC bevonatú tégelyekben termesztett SiC lapkák hordozókoncentrációja körülbelül 4,5 × 1017/cm, illetve 7,6 × 1015/cm.
A hagyományos grafittégelyekben (a) és TAC bevonatú tégelyekben (b) termesztett SiC egykristályok hibáinak összehasonlítása
(II) A grafittégelyek élettartamának javítása
Jelenleg a SiC kristályok ára továbbra is magas maradt, aminek a grafit fogyóeszközök költsége mintegy 30%-ot tesz ki. A grafit fogyóeszközök költségeinek csökkentésének kulcsa az élettartam növelése. Egy brit kutatócsoport adatai szerint a tantál-karbid bevonatok 30-50%-kal meghosszabbíthatják a grafit alkatrészek élettartamát. E számítás szerint csak a tantál-karbiddal bevont grafit cseréje 9%-15%-kal csökkentheti a SiC kristályok költségét.
4. Tantál-karbid bevonat előkészítési folyamata
A TaC bevonatkészítési módszerek három kategóriába sorolhatók: szilárd fázisú módszer, folyadékfázisú módszer és gázfázisú módszer. A szilárd fázisú módszer főként redukciós módszert és kémiai módszert foglal magában; a folyadékfázisú módszer magában foglalja az olvadt só módszert, a szol-gél módszert (Sol-Gel), a szuszpenziós szinterezési módszert, a plazma permetezési módszert; a gázfázisú módszer magában foglalja a kémiai gőzleválasztást (CVD), a kémiai gőzinfiltrációt (CVI) és a fizikai gőzleválasztást (PVD). A különböző módszereknek megvannak a maga előnyei és hátrányai. Közülük a CVD egy viszonylag kiforrott és széles körben alkalmazott módszer a TaC bevonatok előállítására. Az eljárás folyamatos fejlesztésével olyan új eljárásokat fejlesztettek ki, mint a forró huzalos kémiai gőzleválasztás és az ionsugárral segített kémiai gőzleválasztás.
A TaC bevonattal módosított szénalapú anyagok főként grafitot, szénszálat és szén/szén kompozit anyagokat tartalmaznak. A TaC bevonatok grafiton történő előállításának módszerei közé tartozik a plazmapermetezés, a CVD, a szuszpenziós szinterezés stb.
A CVD-módszer előnyei: A TaC bevonatok készítésének CVD-módszere tantál-halogeniden (TaX5) tantálforrásként és szénhidrogénen (CnHm) szénforrásként alapul. Bizonyos körülmények között TaC-ra, illetve C-re bomlanak, majd egymással reagálva TaC bevonatot kapnak. A CVD módszer alacsonyabb hőmérsékleten is kivitelezhető, amivel elkerülhetőek a bevonatok magas hőmérsékletű előkészítése vagy kezelése által okozott hibák és csökkent mechanikai tulajdonságok. A bevonat összetétele és szerkezete szabályozható, előnye a nagy tisztaság, nagy sűrűség és egyenletes vastagság. Ennél is fontosabb, hogy a CVD-vel készített TaC bevonatok összetétele és szerkezete megtervezhető és könnyen szabályozható. Ez egy viszonylag kiforrott és széles körben alkalmazott módszer a kiváló minőségű TaC bevonatok előállítására.
A folyamat fő befolyásoló tényezői a következők:
A. Gáz áramlási sebessége (tantál forrás, szénhidrogén gáz mint szénforrás, vivőgáz, hígítógáz Ar2, redukáló gáz H2): A gáz áramlási sebességének változása nagy hatással van a hőmérsékleti mezőre, a nyomásmezőre és a gázáramlási mezőre a reakciókamrát, ami a bevonat összetételének, szerkezetének és teljesítményének megváltozását eredményezi. Az Ar áramlási sebességének növelése lelassítja a bevonat növekedési sebességét és csökkenti a szemcseméretet, míg a TaCl5, H2 és C3H6 moláris tömegaránya befolyásolja a bevonat összetételét. A H2 és a TaCl5 mólaránya (15-20):1, ami alkalmasabb. A TaCl5 és a C3H6 mólaránya elméletileg közel 3:1. A túlzott TaCl5 vagy C3H6 Ta2C vagy szabad szén képződését okozza, ami befolyásolja az ostya minőségét.
B. Leválasztási hőmérséklet: Minél magasabb a leválasztási hőmérséklet, annál gyorsabb a lerakódási sebesség, annál nagyobb a szemcseméret és annál durvább a bevonat. Ezenkívül a szénhidrogén C-ra bomlási hőmérséklete és sebessége, valamint a TaCl5 Ta-ra bomlása eltérő, és a Ta és a C nagyobb valószínűséggel képez Ta2C-t. A hőmérséklet nagy hatással van a TaC bevonattal módosított szén anyagokra. A leválasztási hőmérséklet növekedésével a lerakódási sebesség növekszik, a részecskeméret nő, és a részecske alakja gömb alakúról poliéderesre változik. Ráadásul minél magasabb a leválasztási hőmérséklet, annál gyorsabban bomlik le a TaCl5, annál kevesebb lesz a szabad C, annál nagyobb lesz a feszültség a bevonatban, és könnyen keletkeznek repedések. Az alacsony lerakódási hőmérséklet azonban alacsonyabb bevonatleválasztási hatékonyságot, hosszabb leválasztási időt és magasabb nyersanyagköltséget eredményez.
C. Leválasztási nyomás: A leválasztási nyomás szorosan összefügg az anyag felületének szabad energiájával, és befolyásolja a gáz reakciókamrában való tartózkodási idejét, ezáltal befolyásolja a gócképződés sebességét és a bevonat részecskeméretét. A lerakódási nyomás növekedésével a gáz tartózkodási ideje meghosszabbodik, a reagenseknek több idejük van a nukleációs reakciókra, a reakciósebesség nő, a részecskék nagyobbak lesznek, és a bevonat vastagabb lesz; fordítva, a leválasztási nyomás csökkenésével a reakciógáz tartózkodási ideje rövidebb, a reakció sebessége lelassul, a részecskék kisebbek lesznek, a bevonat vékonyabb lesz, de a lerakódási nyomás kevéssé befolyásolja a bevonat kristályszerkezetét és összetételét.
V. A tantál-karbid bevonat fejlődési iránya
A TaC hőtágulási együtthatója (6,6×10-6K-1) némileg eltér a szénalapú anyagokétól, mint a grafit, szénszál és a C/C kompozit anyagok, ami miatt az egyfázisú TaC bevonatok hajlamosak a repedésre, ill. leesik. A TaC bevonatok ablációs és oxidációs ellenállásának, magas hőmérsékletű mechanikai stabilitásának és magas hőmérsékletű kémiai korrózióállóságának további javítása érdekében a kutatók kutatásokat végeztek olyan bevonatrendszereken, mint a kompozit bevonatrendszerek, szilárd oldattal javított bevonatrendszerek és gradiens. bevonatrendszerek.
A kompozit bevonatrendszer egyetlen bevonat repedéseinek lezárására szolgál. Általában más bevonatokat visznek be a TaC felületébe vagy belső rétegébe, hogy kompozit bevonatrendszert hozzanak létre; a szilárd oldatot erősítő bevonatrendszer HfC, ZrC stb. ugyanolyan felületközpontú köbös szerkezetű, mint a TaC, és a két karbid korlátlanul oldódik egymásban, így szilárd oldatszerkezetet alkothat. A Hf(Ta)C bevonat repedésmentes, és jól tapad a C/C kompozit anyaghoz. A bevonat kiváló ablációgátló tulajdonságokkal rendelkezik; a gradiens bevonatrendszer gradiens bevonat a bevonat komponens koncentrációjára utal a vastagság iránya mentén. A szerkezet csökkentheti a belső feszültséget, javíthatja a hőtágulási együtthatók eltérését, és elkerülheti a repedéseket.
(II) Tantál-karbid bevonóeszköz-termékek
A QYR (Hengzhou Bozhi) statisztikái és előrejelzései szerint a tantál-karbid-bevonat-piac globális értékesítése 2021-ben elérte az 1,5986 millió USD-t (a Cree saját gyártású és saját beszerzésű tantál-karbid bevonóeszköz-termékeit nem számítva), és még mindig az elején van. az ipar fejlődésének szakaszai.
1. Kristálynövekedéshez szükséges kristálytágító gyűrűk és olvasztótégelyek: Vállalatonként 200 kristálynövesztő kemencével számolva a 30 kristálynövesztő vállalat által igényelt TaC bevonatú eszközök piaci részesedése körülbelül 4,7 milliárd jüan.
2. TaC tálcák: Minden tálcán 3 ostya fér el, mindegyik 1 hónapig használható, és 100 ostyánként 1 tálca kerül felhasználásra. 3 millió ostyához 30 000 TaC tálcára van szükség, mindegyik tálca körülbelül 20 000 darab, és évente körülbelül 600 millióra van szükség.
3. Egyéb szén-dioxid-csökkentési forgatókönyvek. Mint például a magas hőmérsékletű kemence bélés, CVD fúvóka, kemence csövek stb., körülbelül 100 millió.
Feladás időpontja: 2024-02-02