Na actualidade, a terceira xeración de semicondutores está dominada porcarburo de silicio. Na estrutura de custos dos seus dispositivos, o substrato representa o 47% e a epitaxia o 23%. Os dous xuntos representan preto do 70%, que é a parte máis importante docarburo de siliciocadea industrial de fabricación de dispositivos.
O método comúnmente utilizado para a preparacióncarburo de siliciomonocristais é o método PVT (transporte físico de vapor). O principio é fabricar as materias primas nunha zona de alta temperatura e o cristal de semente nunha zona de temperatura relativamente baixa. As materias primas a maior temperatura descompoñen e producen directamente substancias en fase gaseosa sen fase líquida. Estas substancias en fase gaseosa son transportadas ao cristal semente baixo o impulso do gradiente de temperatura axial, e se nuclean e crecen no cristal semente para formar un monocristal de carburo de silicio. Actualmente, empresas estranxeiras como Cree, II-VI, SiCrystal, Dow e empresas nacionais como Tianyue Advanced, Tianke Heda e Century Golden Core usan este método.
Hai máis de 200 formas cristalinas de carburo de silicio e é necesario un control moi preciso para xerar a forma de cristal único requirida (a corrente principal é a forma de cristal 4H). Segundo o folleto de Tianyue Advanced, os rendementos da barra de cristal da compañía en 2018-2020 e no primeiro semestre de 2021 foron do 41%, 38,57%, 50,73% e 49,90% respectivamente, e os rendementos do substrato foron do 72,61%, 75,715%, 75,715%, 75,70%, respectivamente. O rendemento global é actualmente só do 37,7%. Tomando como exemplo o método PVT convencional, o baixo rendemento débese principalmente ás seguintes dificultades na preparación do substrato de SiC:
1. Dificultade no control do campo da temperatura: as varillas de cristal de SiC deben producirse a unha temperatura elevada de 2500 ℃, mentres que os cristais de silicio só necesitan 1500 ℃, polo que son necesarios fornos especiais de cristal único e a temperatura de crecemento debe controlarse con precisión durante a produción. , que é moi difícil de controlar.
2. Velocidade de produción lenta: a taxa de crecemento dos materiais tradicionais de silicio é de 300 mm por hora, pero os cristais sinxelos de carburo de silicio só poden crecer 400 micras por hora, o que é case 800 veces a diferenza.
3. Altos requisitos para os bos parámetros do produto e o rendemento da caixa negra é difícil de controlar a tempo: os parámetros fundamentais das obleas de SiC inclúen a densidade de microtubos, a densidade de dislocación, a resistividade, a deformación, a rugosidade da superficie, etc. Durante o proceso de crecemento do cristal, é necesario para controlar con precisión parámetros como a relación silicio-carbono, o gradiente de temperatura de crecemento, a taxa de crecemento dos cristais e a presión do fluxo de aire. En caso contrario, é probable que se produzan inclusións polimórficas, dando lugar a cristais non cualificados. Na caixa negra do crisol de grafito, é imposible observar o estado de crecemento dos cristais en tempo real e é necesario un control do campo térmico moi preciso, a correspondencia de materiais e a acumulación de experiencia.
4. Dificultade na expansión dos cristais: baixo o método de transporte en fase gaseosa, a tecnoloxía de expansión do crecemento de cristais de SiC é extremadamente difícil. A medida que aumenta o tamaño do cristal, a súa dificultade de crecemento aumenta exponencialmente.
5. Rendemento xeralmente baixo: o baixo rendemento componse principalmente de dúas ligazóns: (1) Rendemento da varilla de cristal = saída de varilla de cristal de grao semicondutor/(saída de varilla de cristal de grao semicondutor + saída de varilla de cristal de grao non semicondutor) × 100 %; (2) Rendemento do substrato = saída de substrato cualificada/(saída de substrato cualificada + saída de substrato non cualificada) × 100%.
Na preparación de alta calidade e alto rendementosubstratos de carburo de silicio, o núcleo necesita mellores materiais de campo térmico para controlar con precisión a temperatura de produción. Os kits de crisol de campo térmico que se usan actualmente son principalmente pezas estruturais de grafito de alta pureza, que se usan para quentar e fundir o po de carbono e o po de silicio e manter o calor. Os materiais de grafito teñen as características de alta resistencia específica e módulo específico, boa resistencia ao choque térmico e resistencia á corrosión, pero teñen as desvantaxes de oxidarse facilmente en ambientes de osíxeno a altas temperaturas, non son resistentes ao amoníaco e escasa resistencia ao risco. No proceso de crecemento de cristales únicos de carburo de silicio eoblea epitaxial de carburo de silicioprodución, é difícil cumprir os requisitos cada vez máis estritos das persoas para o uso de materiais de grafito, o que restrinxe seriamente o seu desenvolvemento e aplicación práctica. Polo tanto, comezaron a xurdir recubrimentos de alta temperatura como o carburo de tántalo.
2. Características deRevestimento de carburo de tantalio
A cerámica TaC ten un punto de fusión de ata 3880 ℃, alta dureza (dureza Mohs 9-10), gran condutividade térmica (22W·m-1·K-1), gran resistencia á flexión (340-400MPa) e pequena expansión térmica. coeficiente (6,6×10−6K−1), e presenta unha excelente estabilidade termoquímica e excelentes propiedades físicas. Ten unha boa compatibilidade química e mecánica con materiais compostos de grafito e C/C. Polo tanto, o revestimento de TaC úsase amplamente na protección térmica aeroespacial, o crecemento de cristales únicos, a electrónica enerxética e os equipos médicos.
Revestido de TaCO grafito ten unha mellor resistencia á corrosión química que o grafito nu ou o grafito revestido de SiC, pódese usar de forma estable a altas temperaturas de 2600° e non reacciona con moitos elementos metálicos. É o mellor revestimento nos escenarios de crecemento de cristal único de semicondutores de terceira xeración e gravado de obleas. Pode mellorar significativamente o control da temperatura e as impurezas no proceso e prepararobleas de carburo de silicio de alta calidadee relacionadosobleas epitaxiais. É especialmente axeitado para o cultivo de monocristais de GaN ou AlN con equipos MOCVD e para o cultivo de monocristais de SiC con equipos PVT, mellorando significativamente a calidade dos monocristais cultivados.
III. Vantaxes dos dispositivos revestidos de carburo de tantalio
O uso do revestimento TaC de carburo de tantalio pode resolver o problema dos defectos do bordo do cristal e mellorar a calidade do crecemento do cristal. É unha das principais direccións técnicas de "crecer rápido, crecer groso e crecer longo". A investigación da industria tamén demostrou que o crisol de grafito revestido de carburo de tantalio pode lograr un quecemento máis uniforme, proporcionando así un excelente control do proceso para o crecemento de cristales únicos de SiC, reducindo así significativamente a probabilidade de formación policristalina no bordo dos cristais de SiC. Ademais, o revestimento de grafito de carburo de tantalio ten dúas vantaxes principais:
(I) Redución de defectos de SiC
En termos de controlar os defectos de cristal único de SiC, normalmente hai tres formas importantes. Ademais de optimizar os parámetros de crecemento e os materiais de orixe de alta calidade (como o po de fonte de SiC), o uso do crisol de grafito revestido de carburo de tantalio tamén pode acadar unha boa calidade de cristal.
Diagrama esquemático do crisol de grafito convencional (a) e do crisol revestido de TAC (b)
Segundo a investigación da Universidade de Europa do Leste en Corea, a principal impureza no crecemento de cristais de SiC é o nitróxeno, e os crisols de grafito revestidos de carburo de tántalo poden limitar eficazmente a incorporación de nitróxeno dos cristais de SiC, reducindo así a xeración de defectos como microtubos e mellorando o cristal. calidade. Os estudos demostraron que nas mesmas condicións, as concentracións de portadores de obleas de SiC cultivadas en crisols de grafito convencionais e crisols revestidos de TAC son de aproximadamente 4,5 × 1017/cm e 7,6 × 1015/cm, respectivamente.
Comparación de defectos en monocristais de SiC cultivados en crisols de grafito convencionais (a) e crisols revestidos de TAC (b)
(II) Mellora da vida útil dos crisols de grafito
Actualmente, o custo dos cristais de SiC mantívose elevado, dos cales o custo dos consumibles de grafito supón preto do 30%. A clave para reducir o custo dos consumibles de grafito é aumentar a súa vida útil. Segundo datos dun equipo de investigación británico, os revestimentos de carburo de tántalo poden prolongar a vida útil dos compoñentes de grafito nun 30-50%. Segundo este cálculo, só substituír o grafito revestido de carburo de tántalo pode reducir o custo dos cristais de SiC nun 9%-15%.
4. Proceso de preparación do revestimento de carburo de tantalio
Os métodos de preparación de revestimentos de TaC pódense dividir en tres categorías: método en fase sólida, método en fase líquida e método en fase gas. O método de fase sólida inclúe principalmente o método de redución e o método químico; o método de fase líquida inclúe o método de sal fundida, o método sol-xel (Sol-Gel), o método de sinterización de lodos, o método de pulverización de plasma; o método da fase gaseosa inclúe a deposición química de vapor (CVD), a infiltración de vapor químico (CVI) e a deposición física de vapor (PVD). Os diferentes métodos teñen as súas propias vantaxes e desvantaxes. Entre eles, o CVD é un método relativamente maduro e moi utilizado para preparar revestimentos de TaC. Coa mellora continua do proceso, desenvolvéronse novos procesos como a deposición de vapor químico con fío quente e a deposición de vapor químico asistida por feixe iónico.
Os materiais a base de carbono modificados do revestimento de TaC inclúen principalmente grafito, fibra de carbono e materiais compostos de carbono/carbono. Os métodos para preparar revestimentos de TaC sobre grafito inclúen pulverización de plasma, CVD, sinterización de lodos, etc.
Vantaxes do método CVD: O método CVD para preparar revestimentos de TaC baséase en haluro de tántalo (TaX5) como fonte de tántalo e hidrocarburo (CnHm) como fonte de carbono. En determinadas condicións, descompoñense en Ta e C respectivamente, e despois reaccionan entre si para obter recubrimentos de TaC. O método CVD pódese levar a cabo a unha temperatura máis baixa, o que pode evitar ata certo punto defectos e propiedades mecánicas reducidas causados pola preparación ou tratamento a alta temperatura dos revestimentos. A composición e estrutura do revestimento son controlables, e ten as vantaxes de alta pureza, alta densidade e grosor uniforme. Máis importante aínda, a composición e estrutura dos revestimentos de TaC preparados por CVD poden deseñarse e controlarse facilmente. É un método relativamente maduro e moi utilizado para preparar revestimentos de TaC de alta calidade.
Os principais factores que inflúen no proceso inclúen:
A. Caudal de gas (fonte de tantalio, gas de hidrocarburos como fonte de carbono, gas portador, gas de dilución Ar2, gas reductor H2): o cambio no caudal de gas ten unha gran influencia no campo de temperatura, campo de presión e campo de fluxo de gas en a cámara de reacción, producindo cambios na composición, estrutura e rendemento do revestimento. O aumento do fluxo de Ar ralentizará a taxa de crecemento do revestimento e reducirá o tamaño do gran, mentres que a relación de masa molar de TaCl5, H2 e C3H6 afecta a composición do revestimento. A relación molar de H2 a TaCl5 é (15-20):1, o que é máis adecuado. A relación molar de TaCl5 a C3H6 é teoricamente próxima a 3:1. Un exceso de TaCl5 ou C3H6 provocará a formación de Ta2C ou carbono libre, afectando á calidade da oblea.
B. Temperatura de deposición: canto maior sexa a temperatura de deposición, máis rápida será a taxa de deposición, maior será o tamaño do gran e máis rugoso será o revestimento. Ademais, a temperatura e a velocidade de descomposición de hidrocarburos en C e a descomposición de TaCl5 en Ta son diferentes, e Ta e C teñen máis probabilidades de formar Ta2C. A temperatura ten unha gran influencia nos materiais de carbono modificado do revestimento de TaC. A medida que aumenta a temperatura de deposición, a taxa de deposición aumenta, o tamaño das partículas aumenta e a forma das partículas cambia de esférica a poliédrica. Ademais, canto maior sexa a temperatura de deposición, máis rápida será a descomposición do TaCl5, menos C libre será, maior será a tensión no revestimento e xeraranse con facilidade gretas. Non obstante, a baixa temperatura de deposición provocará unha menor eficiencia da deposición do revestimento, un tempo de deposición máis longo e uns custos de materia prima máis elevados.
C. Presión de deposición: a presión de deposición está intimamente relacionada coa enerxía libre da superficie do material e afectará o tempo de residencia do gas na cámara de reacción, afectando así a velocidade de nucleación e o tamaño das partículas do revestimento. A medida que aumenta a presión de deposición, o tempo de residencia do gas faise máis longo, os reactivos teñen máis tempo para sufrir reaccións de nucleación, a velocidade de reacción aumenta, as partículas fanse máis grandes e o revestimento faise máis espeso; pola contra, a medida que a presión de deposición diminúe, o tempo de residencia do gas de reacción é curto, a velocidade de reacción diminúe, as partículas fanse máis pequenas e o revestimento é máis fino, pero a presión de deposición ten pouco efecto na estrutura cristalina e na composición do revestimento.
V. Tendencia de desenvolvemento do revestimento de carburo de tántalo
O coeficiente de expansión térmica do TaC (6,6×10−6K−1) é algo diferente do dos materiais a base de carbono como o grafito, a fibra de carbono e os materiais compostos C/C, o que fai que os revestimentos de TaC monofásicos sexan propensos a rachar e caendo. Co fin de mellorar aínda máis a resistencia á ablación e á oxidación, a estabilidade mecánica a altas temperaturas e a resistencia á corrosión química a altas temperaturas dos revestimentos de TaC, os investigadores realizaron investigacións sobre sistemas de revestimento como sistemas de revestimento compostos, sistemas de revestimento mellorados con solución sólida e gradiente. sistemas de revestimento.
O sistema de revestimento composto consiste en pechar as fendas dun único revestimento. Normalmente, outros revestimentos introdúcense na superficie ou na capa interna de TaC para formar un sistema de revestimento composto; o sistema de revestimento de revestimento de reforzo de solución sólida HfC, ZrC, etc. teñen a mesma estrutura cúbica centrada nas caras que TaC, e os dous carburos poden ser infinitamente solubles entre si para formar unha estrutura de solución sólida. O revestimento de Hf(Ta)C non ten rachaduras e ten unha boa adhesión ao material composto C/C. O revestimento ten un excelente rendemento anti-ablación; o sistema de revestimento degradado revestimento degradado refírese á concentración de compoñente de revestimento ao longo da súa dirección de espesor. A estrutura pode reducir a tensión interna, mellorar o desajuste dos coeficientes de expansión térmica e evitar gretas.
(II) Produtos de dispositivos de revestimento de carburo de tantalio
Segundo as estatísticas e previsións de QYR (Hengzhou Bozhi), as vendas do mercado global de revestimentos de carburo de tántalo en 2021 alcanzaron os 1,5986 millóns de dólares (excluídos os produtos de revestimento de carburo de tántalo autoproducidos e autosuministrados de Cree), e aínda está no inicio. fases de desenvolvemento da industria.
1. Os aneis de expansión de cristal e os crisols necesarios para o crecemento de cristal: en base a 200 fornos de crecemento de cristal por empresa, a cota de mercado dos dispositivos revestidos de TaC requirida por 30 empresas de crecemento de cristal é duns 4.700 millóns de yuans.
2. Bandexas de TaC: Cada bandexa pode levar 3 obleas, cada bandexa pódese utilizar durante 1 mes e consúmese 1 bandexa por cada 100 obleas. 3 millóns de obleas requiren 30.000 bandexas de TaC, cada bandexa ten unhas 20.000 pezas e necesítanse uns 600 millóns cada ano.
3. Outros escenarios de redución de carbono. Como revestimento de forno de alta temperatura, boquilla CVD, tubos de forno, etc., preto de 100 millóns.
Hora de publicación: 02-07-2024