För närvarande domineras tredje generationens halvledare avkiselkarbid. I kostnadsstrukturen för sina enheter står substratet för 47% och epitaxi för 23%. De två tillsammans står för cirka 70%, vilket är den viktigaste delen avkiselkarbidkedja för tillverkning av enheter.
Den vanligaste metoden för att förberedakiselkarbidenkristaller är PVT-metoden (fysisk ångtransport). Principen är att tillverka råvarorna i en högtemperaturzon och frökristallen i en relativt lågtemperaturzon. Råvarorna vid högre temperatur sönderdelas och producerar direkt gasfasämnen utan flytande fas. Dessa gasfassubstanser transporteras till ympkristallen under drivningen av den axiella temperaturgradienten och bildar kärnor och växer vid ympkristallen för att bilda en enkristall av kiselkarbid. För närvarande använder utländska företag som Cree, II-VI, SiCrystal, Dow och inhemska företag som Tianyue Advanced, Tianke Heda och Century Golden Core alla denna metod.
Det finns mer än 200 kristallformer av kiselkarbid, och mycket exakt kontroll krävs för att generera den erforderliga enkristallformen (huvudströmmen är 4H-kristallform). Enligt Tianyue Advanceds prospekt var företagets kristallstångsavkastning 2018-2020 och H1 2021 41%, 38,57%, 50,73% respektive 49,90% och substratavkastningen var 72,51% respektive 72,51%, 7,4% och 7,51%. ly. Den totala avkastningen är för närvarande endast 37,7%. Med den vanliga PVT-metoden som exempel beror det låga utbytet främst på följande svårigheter vid beredning av SiC-substrat:
1. Svårighet med temperaturfältskontroll: SiC-kristallstavar måste produceras vid en hög temperatur på 2500 ℃, medan kiselkristaller bara behöver 1500 ℃, så speciella enkristallugnar krävs, och tillväxttemperaturen måste kontrolleras exakt under produktionen , vilket är extremt svårt att kontrollera.
2. Långsam produktionshastighet: Tillväxthastigheten för traditionella kiselmaterial är 300 mm per timme, men enkelkristaller av kiselkarbid kan bara växa 400 mikron per timme, vilket är nästan 800 gånger skillnaden.
3. Höga krav på bra produktparametrar och svarta lådans utbyte är svårt att kontrollera i tid: Kärnparametrarna för SiC-skivor inkluderar mikrorörstäthet, dislokationsdensitet, resistivitet, skevhet, ytråhet, etc. Under kristalltillväxtprocessen är det nödvändiga för att noggrant kontrollera parametrar som kisel-kolförhållande, tillväxttemperaturgradient, kristalltillväxthastighet och luftflödestryck. Annars är det sannolikt att polymorfa inneslutningar uppstår, vilket resulterar i okvalificerade kristaller. I den svarta lådan i grafitdegeln är det omöjligt att observera kristalltillväxtstatusen i realtid, och mycket exakt termisk fältkontroll, materialmatchning och erfarenhetsackumulering krävs.
4. Svårighet med kristallexpansion: Under gasfastransportmetoden är expansionstekniken för SiC-kristalltillväxt extremt svår. När kristallstorleken ökar, ökar dess tillväxtsvårigheter exponentiellt.
5. Generellt lågt utbyte: Lågt utbyte består huvudsakligen av två länkar: (1) Kristallstavsutbyte = utgång av kristallstav av halvledarkvalitet/(utgång av kristallstav av halvledarkvalitet + kristallstav av icke-halvledarkvalitet) × 100%; (2) Substratutbyte = kvalificerad substratutgång/(kvalificerad substratutgång + okvalificerad substratutgång) × 100%.
Vid beredningen av hög kvalitet och hög avkastningkiselkarbidsubstrat, kärnan behöver bättre termiska fältmaterial för att exakt kontrollera produktionstemperaturen. De termiska fältdegelsatserna som för närvarande används är huvudsakligen högren grafitstrukturdelar, som används för att värma och smälta kolpulver och kiselpulver och hålla värmen. Grafitmaterial har egenskaperna hög specifik hållfasthet och specifik modul, god termisk chockbeständighet och korrosionsbeständighet, men de har nackdelarna att de lätt oxideras i högtemperaturssyremiljöer, inte resistenta mot ammoniak och dålig repbeständighet. I processen med kiselkarbid enkristalltillväxt ochkiselkarbid epitaxial waferproduktion är det svårt att möta människors allt strängare krav på användningen av grafitmaterial, vilket allvarligt begränsar dess utveckling och praktiska tillämpning. Därför har högtemperaturbeläggningar som tantalkarbid börjat komma fram.
2. Egenskaper förTantalkarbidbeläggning
TaC-keramik har en smältpunkt på upp till 3880 ℃, hög hårdhet (Mohs hårdhet 9-10), stor värmeledningsförmåga (22W·m-1·K−1), stor böjhållfasthet (340-400MPa) och liten värmeutvidgning koefficient (6,6×10−6K−1), och uppvisar utmärkt termokemisk stabilitet och utmärkta fysikaliska egenskaper. Den har god kemisk kompatibilitet och mekanisk kompatibilitet med grafit och C/C kompositmaterial. Därför används TaC-beläggning i stor utsträckning inom flyg- och rymdvärmeskydd, enkristalltillväxt, energielektronik och medicinsk utrustning.
TaC-belagdgrafit har bättre kemisk korrosionsbeständighet än bar grafit eller SiC-belagd grafit, kan användas stabilt vid höga temperaturer på 2600° och reagerar inte med många metallelement. Det är den bästa beläggningen i tredje generationens halvledarscenarier för tillväxt och waferetsning. Det kan avsevärt förbättra kontrollen av temperatur och föroreningar i processen och förberedahögkvalitativa kiselkarbidskivoroch relateradeepitaxiella wafers. Den är särskilt lämplig för att odla GaN- eller AlN-enkristaller med MOCVD-utrustning och odling av SiC-enkristaller med PVT-utrustning, och kvaliteten på de odlade enkristallerna förbättras avsevärt.
III. Fördelar med tantalkarbidbelagda enheter
Användningen av Tantalum Carbide TaC-beläggning kan lösa problemet med kristallkantsdefekter och förbättra kvaliteten på kristalltillväxt. Det är en av de centrala tekniska riktningarna för att "växa snabbt, växa sig tjock och växa lång". Industriforskning har också visat att tantalkarbidbelagd grafitdegel kan uppnå mer enhetlig uppvärmning och därigenom ge utmärkt processkontroll för SiC-enkristalltillväxt, vilket avsevärt minskar sannolikheten för polykristallin bildning vid kanten av SiC-kristaller. Dessutom har tantalkarbidgrafitbeläggning två stora fördelar:
(I) Reducering av SiC-defekter
När det gäller att kontrollera SiC-enkristalldefekter finns det vanligtvis tre viktiga sätt. Förutom att optimera tillväxtparametrar och högkvalitativa källmaterial (såsom SiC-källpulver), kan användning av Tantalkarbidbelagd grafitdegel också uppnå god kristallkvalitet.
Schematiskt diagram över konventionell grafitdegel (a) och TAC-belagd degel (b)
Enligt forskning vid University of Eastern Europe i Korea är den huvudsakliga föroreningen i SiC-kristalltillväxt kväve, och tantalkarbidbelagda grafitdeglar kan effektivt begränsa kväveinkorporeringen av SiC-kristaller, och därigenom minska genereringen av defekter såsom mikrorör och förbättra kristallerna kvalitet. Studier har visat att under samma förhållanden är bärarkoncentrationerna av SiC-skivor odlade i konventionella grafitdeglar och TAC-belagda deglar ungefär 4,5×1017/cm respektive 7,6×1015/cm.
Jämförelse av defekter i SiC-enkristaller odlade i konventionella grafitdeglar (a) och TAC-belagda deglar (b)
(II) Förbättra livslängden för grafitdeglar
För närvarande har kostnaden för SiC-kristaller förblivit hög, varav kostnaden för grafitförbrukningsvaror står för cirka 30 %. Nyckeln till att minska kostnaderna för grafitförbrukningsartiklar är att öka dess livslängd. Enligt data från ett brittiskt forskarlag kan tantalkarbidbeläggningar förlänga livslängden för grafitkomponenter med 30-50 %. Enligt denna beräkning kan endast ersättning av den tantalkarbidbelagda grafiten minska kostnaden för SiC-kristaller med 9%-15%.
4. Beredningsprocess för tantalkarbidbeläggning
Beredningsmetoder för TaC-beläggning kan delas in i tre kategorier: fastfasmetod, flytandefasmetod och gasfasmetod. Fastfasmetoden innefattar huvudsakligen reduktionsmetod och kemisk metod; vätskefasmetoden inkluderar smältsaltmetod, sol-gelmetoden (Sol-Gel), slurry-sintringsmetod, plasmasprutningsmetod; gasfasmetoden inkluderar kemisk ångdeposition (CVD), kemisk ånginfiltration (CVI) och fysikalisk ångdeposition (PVD). Olika metoder har sina egna fördelar och nackdelar. Bland dem är CVD en relativt mogen och allmänt använd metod för att framställa TaC-beläggningar. Med den kontinuerliga förbättringen av processen har nya processer som kemisk ångavsättning med hettråd och jonstråleassisterad kemisk ångavsättning utvecklats.
TaC-beläggningsmodifierade kolbaserade material inkluderar huvudsakligen grafit, kolfiber och kol/kolkompositmaterial. Metoderna för att framställa TaC-beläggningar på grafit inkluderar plasmasprutning, CVD, slurry sintring, etc.
Fördelar med CVD-metoden: CVD-metoden för framställning av TaC-beläggningar är baserad på tantalhalogenid (TaX5) som tantalkälla och kolväte (CnHm) som kolkälla. Under vissa förhållanden sönderdelas de till Ta respektive C och reagerar sedan med varandra för att erhålla TaC-beläggningar. CVD-metoden kan utföras vid lägre temperatur, vilket kan undvika defekter och minskade mekaniska egenskaper orsakade av högtemperaturberedning eller behandling av beläggningar i viss utsträckning. Beläggningens sammansättning och struktur är kontrollerbar, och den har fördelarna med hög renhet, hög densitet och enhetlig tjocklek. Ännu viktigare är att sammansättningen och strukturen av TaC-beläggningar framställda av CVD kan utformas och enkelt kontrolleras. Det är en relativt mogen och allmänt använd metod för att framställa högkvalitativa TaC-beläggningar.
De centrala påverkande faktorerna i processen inkluderar:
A. Gasflödeshastighet (tantalkälla, kolvätegas som kolkälla, bärargas, utspädningsgas Ar2, reducerande gas H2): Förändringen i gasflödeshastighet har stor inverkan på temperaturfältet, tryckfältet och gasflödesfältet i reaktionskammaren, vilket resulterar i förändringar i beläggningens sammansättning, struktur och prestanda. Ökning av Ar-flödeshastigheten kommer att sakta ner beläggningens tillväxthastighet och minska kornstorleken, medan molmassförhållandet för TaCl5, H2 och C3H6 påverkar beläggningssammansättningen. Molförhållandet H2 till TaCl5 är (15-20):1, vilket är mer lämpligt. Molförhållandet TaCl5 till C3H6 är teoretiskt nära 3:1. Överdriven TaCl5 eller C3H6 kommer att orsaka bildning av Ta2C eller fritt kol, vilket påverkar kvaliteten på skivan.
B. Deponeringstemperatur: Ju högre deponeringstemperatur, desto snabbare deponeringshastighet, desto större kornstorlek och desto grövre beläggning. Dessutom är temperaturen och hastigheten för kolvätesönderdelning till C och TaCl5-nedbrytning till Ta olika, och Ta och C är mer benägna att bilda Ta2C. Temperaturen har stor inverkan på TaC-beläggningsmodifierade kolmaterial. När avsättningstemperaturen ökar, ökar avsättningshastigheten, partikelstorleken ökar och partikelformen ändras från sfärisk till polyedrisk. Dessutom, ju högre deponeringstemperaturen är, desto snabbare nedbrytningen av TaCl5, desto mindre fri C kommer att vara, desto större spänningar i beläggningen, och sprickor kommer lätt att genereras. Emellertid kommer låg deponeringstemperatur att leda till lägre beläggningsavsättningseffektivitet, längre deponeringstid och högre råmaterialkostnader.
C. Deponeringstryck: Depositionstrycket är nära relaterat till materialytans fria energi och kommer att påverka gasens uppehållstid i reaktionskammaren och därigenom påverka kärnbildningshastigheten och partikelstorleken hos beläggningen. När avsättningstrycket ökar, blir gasuppehållstiden längre, reaktanterna har mer tid att genomgå kärnbildningsreaktioner, reaktionshastigheten ökar, partiklarna blir större och beläggningen blir tjockare; omvänt, när avsättningstrycket minskar, är reaktionsgasens uppehållstid kort, reaktionshastigheten saktar ner, partiklarna blir mindre och beläggningen är tunnare, men avsättningstrycket har liten effekt på beläggningens kristallstruktur och sammansättning.
V. Utvecklingstrend för tantalkarbidbeläggning
Den termiska expansionskoefficienten för TaC (6,6×10−6K−1) skiljer sig något från den för kolbaserade material som grafit, kolfiber och C/C-kompositmaterial, vilket gör enfasiga TaC-beläggningar benägna att spricka och faller av. För att ytterligare förbättra ablations- och oxidationsbeständigheten, mekanisk stabilitet vid hög temperatur och kemisk korrosionsbeständighet vid hög temperatur hos TaC-beläggningar, har forskare forskat på beläggningssystem som kompositbeläggningssystem, beläggningssystem som förbättrats med solid lösning och gradient. beläggningssystem.
Kompositbeläggningssystemet är för att stänga sprickorna i en enda beläggning. Vanligtvis införs andra beläggningar i ytan eller det inre skiktet av TaC för att bilda ett kompositbeläggningssystem; det fasta lösningsförstärkande beläggningssystemet HfC, ZrC, etc. har samma ansiktscentrerade kubiska struktur som TaC, och de två karbiderna kan vara oändligt lösliga i varandra för att bilda en fast lösningsstruktur. Hf(Ta)C-beläggningen är sprickfri och har god vidhäftning till C/C-kompositmaterialet. Beläggningen har utmärkt anti-ablationsprestanda; gradientbeläggningssystemets gradientbeläggning avser beläggningskomponentkoncentrationen längs dess tjockleksriktning. Strukturen kan minska inre spänningar, förbättra oanpassningen av termiska expansionskoefficienter och undvika sprickor.
(II) Tantalkarbidbeläggningsprodukter
Enligt statistiken och prognoserna för QYR (Hengzhou Bozhi) nådde den globala försäljningen av tantalkarbidbeläggningsmarknaden 2021 1,5986 miljoner USD (exklusive Crees egenproducerade och självförsörjande tantalkarbidbeläggningsprodukter), och den är fortfarande i början stadier av industriutveckling.
1. Kristallexpansionsringar och deglar som krävs för kristalltillväxt: Baserat på 200 kristalltillväxtugnar per företag är marknadsandelen för TaC-belagda enheter som krävs av 30 kristalltillväxtföretag cirka 4,7 miljarder yuan.
2. TaC-brickor: Varje bricka kan bära 3 wafers, varje bricka kan användas i 1 månad och 1 bricka konsumeras för varje 100 wafers. 3 miljoner wafers kräver 30 000 TaC-brickor, varje bricka är cirka 20 000 bitar och cirka 600 miljoner behövs varje år.
3. Andra scenarier för koldioxidminskning. Såsom hög temperatur ugnsfoder, CVD munstycke, ugnsrör, etc., cirka 100 miljoner.
Posttid: 2024-02-02