Тренутно доминира трећа генерација полупроводникасилицијум карбида. У структури трошкова његових уређаја, супстрат чини 47%, а епитаксија 23%. Њих двоје заједно чине око 70%, што је најважнији деосилицијум карбидаланац индустрије производње уређаја.
Уобичајени метод припремесилицијум карбидамонокристали је метода ПВТ (физички транспорт паре). Принцип је да се сировине праве у зони високе температуре, а семенски кристал у зони релативно ниских температура. Сировине на вишој температури се разлажу и директно производе супстанце у гасној фази без течне фазе. Ове супстанце у гасној фази се транспортују до кристала за семе под погоном аксијалног температурног градијента, стварају језгро и расту на кристалу семена и формирају монокристал силицијум карбида. Тренутно, стране компаније као што су Црее, ИИ-ВИ, СиЦристал, Дов и домаће компаније као што су Тианиуе Адванцед, Тианке Хеда и Центури Голден Цоре користе овај метод.
Постоји више од 200 кристалних облика силицијум карбида, а потребна је врло прецизна контрола да би се створио потребан монокристални облик (главни ток је 4Х кристални облик). Према проспекту компаније Тианиуе Адванцед, приноси кристалних штапова компаније у 2018-2020. и 1. полугодишту 2021. били су 41%, 38,57%, 50,73% и 49,90% респективно, а приноси супстрата 72,61%, 75,74% и 75,74% респективно. Свеобухватни принос тренутно износи само 37,7%. Узимајући уобичајену ПВТ методу као пример, низак принос је углавном због следећих потешкоћа у припреми СиЦ супстрата:
1. Потешкоће у контроли температурног поља: СиЦ кристалне шипке се морају производити на високој температури од 2500 ℃, док је силицијумским кристалима потребно само 1500 ℃, тако да су потребне посебне пећи од једног кристала, а температура раста треба прецизно контролисати током производње , што је изузетно тешко контролисати.
2. Спора брзина производње: Стопа раста традиционалних силицијумских материјала је 300 мм на сат, али монокристали силицијум карбида могу расти само 400 микрона на сат, што је скоро 800 пута већа разлика.
3. Високи захтеви за добрим параметрима производа, а принос црне кутије је тешко контролисати на време: Основни параметри СиЦ плочица укључују густину микротуба, густину дислокација, отпорност, искривљеност, храпавост површине, итд. Током процеса раста кристала, то је неопходно за прецизну контролу параметара као што су однос силицијум-угљеник, градијент температуре раста, брзина раста кристала и притисак протока ваздуха. У супротном, вероватно ће доћи до полиморфних инклузија, што ће резултирати неквалификованим кристалима. У црној кутији графитног лончића, немогуће је посматрати статус раста кристала у реалном времену, а потребна је врло прецизна контрола термичког поља, усклађивање материјала и акумулација искуства.
4. Потешкоће у експанзији кристала: Под методом транспорта гасне фазе, технологија експанзије раста кристала СиЦ је изузетно тешка. Како се величина кристала повећава, његова потешкоћа раста експоненцијално расте.
5. Генерално низак принос: Низак принос се углавном састоји од две везе: (1) Принос кристалног штапа = излаз кристалног штапа за полупроводнике/(излаз кристалног штапа за полупроводнике + излаз кристалног штапа који није за полупроводник) × 100%; (2) Принос супстрата = квалификовани излаз супстрата/(квалификовани излаз супстрата + неквалификовани излаз супстрата) × 100%.
У припреми висококвалитетних и високоприноснихподлоге од силицијум карбида, језгру су потребни бољи материјали термичког поља за прецизну контролу температуре производње. Комплети лонаца са термичким пољем који се тренутно користе су углавном графитни структурни делови високе чистоће, који се користе за загревање и топљење угљеничног праха и силицијумског праха и одржавање топлоте. Графитни материјали имају карактеристике високе специфичне чврстоће и специфичног модула, добре отпорности на топлотни удар и отпорности на корозију, али имају недостатке што се лако оксидирају у окружењу са високом температуром кисеоника, нису отпорни на амонијак и слаба отпорност на огреботине. У процесу раста монокристала силицијум карбида иепитаксијална плоча од силицијум карбидапроизводње, тешко је задовољити све строже захтеве људи за коришћење графитних материјала, што озбиљно ограничава његов развој и практичну примену. Због тога су почели да се појављују премази на високим температурама као што је тантал карбид.
2. КарактеристикеТантал-карбид премаз
ТаЦ керамика има тачку топљења до 3880℃, високу тврдоћу (тврдоћа по Мохсу 9-10), велику топлотну проводљивост (22В·м-1·К−1), велику чврстоћу на савијање (340-400МПа) и малу топлотну експанзију коефицијент (6,6×10−6К−1), и показује одличну термохемијску стабилност и одлична физичка својства. Има добру хемијску компатибилност и механичку компатибилност са графитним и Ц/Ц композитним материјалима. Због тога се ТаЦ премаз широко користи у ваздушној топлотној заштити, расту монокристала, енергетској електроници и медицинској опреми.
ТаЦ-цоатедграфит има бољу отпорност на хемијску корозију од голог графита или графита обложеног СиЦ, може се стабилно користити на високим температурама од 2600° и не реагује са многим металним елементима. То је најбољи премаз у сценаријима раста монокристалних полупроводника треће генерације и нагризања плочица. Може значајно побољшати контролу температуре и нечистоћа у процесу и припремивисококвалитетне плочице од силицијум карбидаи сроднихепитаксијалне плочице. Посебно је погодан за узгој ГаН или АлН монокристала са МОЦВД опремом и узгој СиЦ монокристала са ПВТ опремом, а квалитет узгојених монокристала је значајно побољшан.
ИИИ. Предности уређаја обложених тантал карбидом
Употреба ТаЦ премаза од тантал карбида може решити проблем дефеката ивица кристала и побољшати квалитет раста кристала. То је један од основних техничких праваца „брзог раста, дебљања и дугог раста“. Индустријска истраживања су такође показала да графитни лончић обложен тантал карбидом може постићи уједначеније загревање, чиме се обезбеђује одлична контрола процеса за раст монокристала СиЦ, чиме се значајно смањује вероватноћа поликристалног формирања на ивици кристала СиЦ. Поред тога, тантал карбид графитни премаз има две главне предности:
(И) Смањење СиЦ дефеката
У погледу контроле монокристалних дефеката СиЦ, обично постоје три важна начина. Поред оптимизације параметара раста и висококвалитетних изворних материјала (као што је изворни прах СиЦ), коришћењем графитне лонце обложене тантал-карбидом такође се може постићи добар квалитет кристала.
Шематски дијаграм конвенционалног графитног лончића (а) и лончића обложеног ТАЦ (б)
Према истраживању Универзитета источне Европе у Кореји, главна нечистоћа у расту кристала СиЦ је азот, а графитне лончиће обложене тантал карбидом могу ефикасно ограничити уградњу азота у кристале СиЦ, чиме се смањује стварање дефеката као што су микроцеви и побољшавају кристал. квалитета. Студије су показале да су под истим условима концентрације носача СиЦ плочица које се узгајају у конвенционалним графитним лонцима и лонцима обложеним ТАЦ-ом приближно 4,5×1017/цм и 7,6×1015/цм, респективно.
Поређење дефеката у монокристалима СиЦ узгојеним у конвенционалним графитним лонцима (а) и лонцима обложеним ТАЦ (б)
(ИИ) Продужење века трајања графитних лонаца
Тренутно је цена кристала СиЦ остала висока, од чега трошак потрошног материјала од графита чини око 30%. Кључ за смањење трошкова потрошног материјала од графита је повећање његовог радног века. Према подацима британског истраживачког тима, премази од тантал карбида могу продужити век трајања графитних компоненти за 30-50%. Према овом прорачуну, само замена графита обложеног тантал карбидом може смањити цену кристала СиЦ за 9%-15%.
4. Процес припреме превлаке од тантал карбида
Методе припреме ТаЦ премаза могу се поделити у три категорије: метода чврсте фазе, метода течне фазе и метода гасне фазе. Метода чврсте фазе углавном укључује методу редукције и хемијску методу; метода течне фазе укључује методу растопљене соли, сол-гел методу (Сол-Гел), методу синтеровања суспензије, методу распршивања плазмом; метода гасне фазе обухвата хемијско таложење паре (ЦВД), хемијску инфилтрацију паре (ЦВИ) и физичко таложење паре (ПВД). Различите методе имају своје предности и мане. Међу њима, ЦВД је релативно зрела и широко коришћена метода за припрему ТаЦ премаза. Уз континуирано побољшање процеса, развијени су нови процеси као што су хемијско таложење паре врућом жицом и хемијско таложење паре уз помоћ јонског снопа.
ТаЦ премази модификовани материјали на бази угљеника углавном укључују графит, угљенична влакна и композитне материјале угљеник/угљеник. Методе за припрему ТаЦ премаза на графит укључују плазма прскање, ЦВД, синтеровање суспензије итд.
Предности ЦВД методе: ЦВД метода за припрему ТаЦ премаза је заснована на тантал халиду (ТаКс5) као извору тантала и угљоводонику (ЦнХм) као извору угљеника. Под одређеним условима, они се разлажу на Та и Ц респективно, а затим реагују једни са другима да би добили ТаЦ превлаке. ЦВД метода се може изводити на нижој температури, чиме се у одређеној мери могу избећи дефекти и смањена механичка својства узрокована високотемпературном припремом или обрадом премаза. Састав и структура премаза се могу контролисати, а предности су високе чистоће, велике густине и уједначене дебљине. Што је још важније, састав и структура ТаЦ премаза припремљених ЦВД-ом могу се дизајнирати и лако контролисати. То је релативно зрела и широко коришћена метода за припрему висококвалитетних ТаЦ премаза.
Главни фактори који утичу на процес укључују:
А. Брзина протока гаса (извор тантала, гас угљоводоника као извор угљеника, гас носач, гас за разблаживање Ар2, редукциони гас Х2): Промена брзине протока гаса има велики утицај на температурно поље, поље притиска и поље протока гаса у реакционој комори, што резултира променама у саставу, структури и перформансама премаза. Повећање протока Ар ће успорити брзину раста премаза и смањити величину зрна, док однос моларне масе ТаЦл5, Х2 и Ц3Х6 утиче на састав превлаке. Моларни однос Х2 према ТаЦл5 је (15-20):1, што је погодније. Моларни однос ТаЦл5 према Ц3Х6 је теоретски близу 3:1. Прекомерни ТаЦл5 или Ц3Х6 ће изазвати стварање Та2Ц или слободног угљеника, што утиче на квалитет плочице.
Б. Температура таложења: Што је температура таложења виша, то је бржа брзина таложења, већа је величина зрна и грубљи премаз. Поред тога, температура и брзина распадања угљоводоника у Ц и ТаЦл5 разлагања у Та су различите, а Та и Ц вероватније формирају Та2Ц. Температура има велики утицај на ТаЦ облагање модификованих угљеничних материјала. Како се температура таложења повећава, брзина таложења се повећава, величина честица се повећава, а облик честица се мења од сферног у полиедарски. Поред тога, што је виша температура таложења, то је брже распадање ТаЦл5, мање слободног Ц ће бити, већи је напон у премазу, а пукотине ће се лако генерисати. Међутим, ниска температура таложења ће довести до ниже ефикасности наношења премаза, дужег времена таложења и већих трошкова сировина.
Ц. Притисак таложења: Притисак таложења је уско повезан са слободном енергијом површине материјала и утиче на време задржавања гаса у реакционој комори, чиме утиче на брзину нуклеације и величину честица премаза. Како се притисак таложења повећава, време задржавања гаса постаје дуже, реактанти имају више времена да се подвргну реакцијама нуклеације, брзина реакције се повећава, честице постају веће, а премаз постаје дебљи; обрнуто, како се притисак таложења смањује, време задржавања реакционог гаса је кратко, брзина реакције се успорава, честице постају мање, а премаз је тањи, али притисак таложења има мали утицај на кристалну структуру и састав превлаке.
В. Тренд развоја превлаке тантал карбидом
Коефицијент термичке експанзије ТаЦ (6,6×10−6К−1) се донекле разликује од коефицијента на бази угљеника као што су графит, угљенична влакна и Ц/Ц композитни материјали, што чини једнофазне ТаЦ премазе склоним пуцању и отпадајући. У циљу даљег побољшања отпорности на аблацију и оксидацију, механичке стабилности на високим температурама и отпорности на хемијску корозију на високим температурама ТаЦ премаза, истраживачи су спровели истраживање система премаза као што су композитни системи премаза, системи премаза побољшаних чврстим раствором и градијент системи премаза.
Систем композитног премаза је да затвори пукотине једног премаза. Обично се други премази уводе у површину или унутрашњи слој ТаЦ-а да би се формирао композитни систем премаза; систем превлаке за јачање чврстог раствора ХфЦ, ЗрЦ, итд. имају исту кубичну структуру усредсређену на лице као ТаЦ, а два карбида могу бити бесконачно растворљива један у другом да би формирали структуру чврстог раствора. Хф(Та)Ц премаз је без пукотина и има добру адхезију за Ц/Ц композитни материјал. Премаз има одличне перформансе против аблације; градијентни систем премаза, градијентни премаз се односи на концентрацију компоненте премаза дуж њеног правца дебљине. Структура може смањити унутрашње напрезање, побољшати неусклађеност коефицијената топлотног ширења и избећи пукотине.
(ИИ) Производи уређаја за премазивање од тантал карбида
Према статистикама и предвиђањима КИР (Хенгзхоу Бозхи), глобална продаја на тржишту премаза од тантал карбида у 2021. години достигла је 1,5986 милиона долара (без Црее-ових производа за премазивање од тантал карбида који се самостално производе) и још увек је у раној фази. фазе развоја индустрије.
1. Кристални експанзиони прстенови и лончићи потребни за раст кристала: На основу 200 пећи за раст кристала по предузећу, тржишни удео уређаја обложених ТаЦ које захтева 30 компанија за раст кристала је око 4,7 милијарди јуана.
2. ТаЦ тацне: Сваки послужавник може да носи 3 облатне, сваки послужавник може да се користи 1 месец, а 1 послужавник се троши на сваких 100 облатни. За 3 милиона вафла потребно је 30.000 ТаЦ тацни, сваки послужавник је око 20.000 комада, а потребно је око 600 милиона сваке године.
3. Други сценарији смањења угљеника. Као што су високотемпературна облога пећи, ЦВД млазница, цеви за пећ, итд., Око 100 милиона.
Време поста: Јул-02-2024