Actualment, la tercera generació de semiconductors està dominada percarbur de silici. En l'estructura de costos dels seus dispositius, el substrat representa el 47% i l'epitaxia el 23%. Tots dos junts representen al voltant del 70%, que és la part més important de lacarbur de silicicadena de la indústria de fabricació de dispositius.
El mètode més utilitzat per a la preparaciócarbur de siliciels cristalls simples és el mètode PVT (transport físic de vapor). El principi és fabricar les matèries primeres en una zona d'alta temperatura i el cristall de llavors en una zona de temperatura relativament baixa. Les matèries primeres a una temperatura més alta es descomponen i produeixen directament substàncies en fase gasosa sense fase líquida. Aquestes substàncies en fase gasosa es transporten al cristall de llavor sota l'impuls del gradient de temperatura axial, i es nucleen i creixen al cristall de llavors per formar un cristall simple de carbur de silici. Actualment, empreses estrangeres com Cree, II-VI, SiCrystal, Dow i empreses nacionals com Tianyue Advanced, Tianke Heda i Century Golden Core utilitzen aquest mètode.
Hi ha més de 200 formes de cristall de carbur de silici i es requereix un control molt precís per generar la forma de cristall únic requerida (la corrent principal és la forma de cristall 4H). Segons el prospecte de Tianyue Advanced, els rendiments de la barra de cristall de l'empresa el 2018-2020 i el primer semestre de 2021 van ser del 41%, 38,57%, 50,73% i 49,90% respectivament, i els rendiments del substrat van ser del 72,61%, 75,70,4%, 75,715%, 75,715%, respectivament. El rendiment global és actualment només del 37,7%. Prenent com a exemple el mètode PVT principal, el baix rendiment es deu principalment a les següents dificultats en la preparació del substrat de SiC:
1. Dificultat en el control del camp de la temperatura: les barres de cristall de SiC s'han de produir a una temperatura elevada de 2500 ℃, mentre que els cristalls de silici només necessiten 1500 ℃, de manera que es requereixen forns especials de cristall únic i la temperatura de creixement s'ha de controlar amb precisió durant la producció , que és extremadament difícil de controlar.
2. Velocitat de producció lenta: la taxa de creixement dels materials de silici tradicionals és de 300 mm per hora, però els cristalls simples de carbur de silici només poden créixer 400 micres per hora, que és gairebé 800 vegades la diferència.
3. Requisits elevats per als bons paràmetres del producte i el rendiment de la caixa negra és difícil de controlar a temps: els paràmetres bàsics de les hòsties de SiC inclouen la densitat del microtub, la densitat de dislocació, la resistivitat, la deformació, la rugositat de la superfície, etc. Durant el procés de creixement del cristall, és necessari per controlar amb precisió paràmetres com ara la relació silici-carboni, el gradient de temperatura de creixement, la velocitat de creixement del cristall i la pressió del flux d'aire. En cas contrari, és probable que es produeixin inclusions polimòrfiques, donant lloc a cristalls no qualificats. A la caixa negra del gresol de grafit, és impossible observar l'estat del creixement del cristall en temps real, i es requereix un control del camp tèrmic molt precís, la concordança de materials i l'acumulació d'experiència.
4. Dificultat en l'expansió del cristall: sota el mètode de transport en fase gasosa, la tecnologia d'expansió del creixement del cristall de SiC és extremadament difícil. A mesura que augmenta la mida del cristall, la seva dificultat de creixement augmenta exponencialment.
5. Rendiment generalment baix: el rendiment baix es compon principalment de dos enllaços: (1) Rendiment de la vareta de cristall = sortida de vareta de cristall de grau semiconductor/(sortida de vareta de cristall de grau de semiconductors + sortida de vareta de cristall de grau no semiconductors) × 100%; (2) Rendiment del substrat = sortida de substrat qualificada/(sortida de substrat qualificada + sortida de substrat no qualificada) × 100%.
En la preparació d'alta qualitat i alt rendimentsubstrats de carbur de silici, el nucli necessita millors materials de camp tèrmic per controlar amb precisió la temperatura de producció. Els kits de gresol de camp tèrmic que s'utilitzen actualment són principalment peces estructurals de grafit d'alta puresa, que s'utilitzen per escalfar i fondre la pols de carboni i la pols de silici i mantenir la calor. Els materials de grafit tenen les característiques d'alta resistència específica i mòdul específic, bona resistència al xoc tèrmic i resistència a la corrosió, però tenen els inconvenients de ser fàcilment oxidats en ambients d'oxigen d'alta temperatura, no resistents a l'amoníac i poca resistència a les ratllades. En el procés de creixement d'un sol cristall de carbur de silici ihòstia epitaxial de carbur de siliciproducció, és difícil satisfer els requisits cada cop més estrictes de la gent per a l'ús de materials de grafit, cosa que restringeix seriosament el seu desenvolupament i aplicació pràctica. Per tant, han començat a sorgir recobriments d'alta temperatura com el carbur de tàntal.
2. Característiques deRecobriment de carbur de tàntal
La ceràmica TaC té un punt de fusió de fins a 3880 ℃, alta duresa (duresa Mohs 9-10), gran conductivitat tèrmica (22W·m-1·K-1), gran resistència a la flexió (340-400MPa) i petita expansió tèrmica coeficient (6,6 × 10−6K−1) i presenta una excel·lent estabilitat termoquímica i excel·lents propietats físiques. Té una bona compatibilitat química i mecànica amb materials compostos de grafit i C/C. Per tant, el recobriment TaC s'utilitza àmpliament en protecció tèrmica aeroespacial, creixement d'un sol cristall, electrònica energètica i equips mèdics.
Recobert de TaCEl grafit té una millor resistència a la corrosió química que el grafit nu o el grafit recobert de SiC, es pot utilitzar de manera estable a altes temperatures de 2600 ° i no reacciona amb molts elements metàl·lics. És el millor recobriment en els escenaris de creixement de cristall únic de semiconductors de tercera generació i gravat d'hòsties. Pot millorar significativament el control de la temperatura i les impureses en el procés i la preparacióhòsties de carbur de silici d'alta qualitati relacionatshòsties epitaxials. És especialment adequat per fer créixer monocristalls de GaN o AlN amb equips MOCVD i fer créixer monocristalls de SiC amb equips PVT, i la qualitat dels monocristalls cultivats es millora significativament.
III. Avantatges dels dispositius recoberts de carbur de tàntal
L'ús del recobriment TaC de carbur de tàntal pot resoldre el problema dels defectes de la vora del cristall i millorar la qualitat del creixement del cristall. És una de les direccions tècniques bàsiques de "créixer ràpidament, créixer gruixut i créixer llarg". La investigació de la indústria també ha demostrat que el gresol de grafit recobert de carbur de tàntal pot aconseguir un escalfament més uniforme, proporcionant així un excel·lent control del procés per al creixement d'un sol cristall de SiC, reduint així significativament la probabilitat de formació policristalina a la vora dels cristalls de SiC. A més, el recobriment de grafit de carbur de tàntal té dos avantatges principals:
(I) Reducció de defectes de SiC
Pel que fa al control dels defectes de cristall únic de SiC, normalment hi ha tres maneres importants. A més d'optimitzar els paràmetres de creixement i els materials d'origen d'alta qualitat (com la pols font de SiC), l'ús del gresol de grafit recobert de carbur de tantal també pot aconseguir una bona qualitat de cristall.
Diagrama esquemàtic del gresol de grafit convencional (a) i del gresol recobert de TAC (b)
Segons la investigació de la Universitat d'Europa de l'Est a Corea, la impuresa principal en el creixement dels cristalls de SiC és el nitrogen, i els gresols de grafit recoberts de carbur de tàntal poden limitar eficaçment la incorporació de nitrogen dels cristalls de SiC, reduint així la generació de defectes com ara microtubes i millorant el cristall. qualitat. Els estudis han demostrat que, en les mateixes condicions, les concentracions de portadors de hòsties de SiC cultivades en gresols de grafit convencionals i gresols recoberts de TAC són aproximadament 4,5 × 1017/cm i 7,6 × 1015/cm, respectivament.
Comparació de defectes en cristalls simples de SiC cultivats en gresols de grafit convencionals (a) i gresols recoberts de TAC (b)
(II) Millora de la vida útil dels gresols de grafit
Actualment, el cost dels cristalls de SiC s'ha mantingut elevat, dels quals el cost dels consumibles de grafit representa al voltant del 30%. La clau per reduir el cost dels consumibles de grafit és augmentar la seva vida útil. Segons dades d'un equip d'investigació britànic, els recobriments de carbur de tàntal poden allargar la vida útil dels components de grafit en un 30-50%. Segons aquest càlcul, només la substitució del grafit recobert de carbur de tàntal pot reduir el cost dels cristalls de SiC entre un 9% i un 15%.
4. Procés de preparació del recobriment de carbur de tàntal
Els mètodes de preparació del recobriment de TaC es poden dividir en tres categories: mètode en fase sòlida, mètode en fase líquida i mètode en fase gasosa. El mètode de fase sòlida inclou principalment el mètode de reducció i el mètode químic; el mètode de fase líquida inclou el mètode de sal fosa, mètode sol-gel (Sol-Gel), mètode de sinterització de purins, mètode de polvorització de plasma; el mètode de la fase gasosa inclou la deposició química de vapor (CVD), la infiltració de vapor químic (CVI) i la deposició física de vapor (PVD). Els diferents mètodes tenen els seus propis avantatges i desavantatges. Entre ells, el CVD és un mètode relativament madur i àmpliament utilitzat per preparar recobriments de TaC. Amb la millora contínua del procés, s'han desenvolupat nous processos com ara la deposició de vapor químic amb fil calent i la deposició de vapor químic assistida per feix d'ions.
Els materials a base de carboni modificats amb recobriment de TaC inclouen principalment grafit, fibra de carboni i materials compostos de carboni/carboni. Els mètodes per preparar recobriments de TaC sobre grafit inclouen la polvorització de plasma, CVD, sinterització de purins, etc.
Avantatges del mètode CVD: El mètode CVD per preparar recobriments de TaC es basa en halogenur de tàntal (TaX5) com a font de tàntal i hidrocarburs (CnHm) com a font de carboni. En determinades condicions, es descomponen en Ta i C respectivament, i després reaccionen entre si per obtenir recobriments de TaC. El mètode CVD es pot dur a terme a una temperatura més baixa, la qual cosa pot evitar defectes i propietats mecàniques reduïdes causades per la preparació a alta temperatura o el tractament de recobriments fins a cert punt. La composició i l'estructura del recobriment són controlables i té els avantatges d'una gran puresa, alta densitat i gruix uniforme. Més important encara, la composició i l'estructura dels recobriments de TaC preparats per CVD es poden dissenyar i controlar fàcilment. És un mètode relativament madur i àmpliament utilitzat per preparar recobriments de TaC d'alta qualitat.
Els principals factors que influeixen en el procés inclouen:
A. Caudal de gas (font de tantal, gas d'hidrocarburs com a font de carboni, gas portador, gas de dilució Ar2, gas reductor H2): el canvi en el cabal de gas té una gran influència en el camp de temperatura, el camp de pressió i el camp de flux de gas a la cambra de reacció, provocant canvis en la composició, l'estructura i el rendiment del recobriment. L'augment del cabal d'Ar frenarà la velocitat de creixement del recobriment i reduirà la mida del gra, mentre que la relació de massa molar de TaCl5, H2 i C3H6 afecta la composició del recobriment. La relació molar de H2 a TaCl5 és (15-20): 1, que és més adequada. La proporció molar de TaCl5 a C3H6 és teòricament propera a 3:1. Un excés de TaCl5 o C3H6 provocarà la formació de Ta2C o carboni lliure, afectant la qualitat de l'hòstia.
B. Temperatura de deposició: com més alta sigui la temperatura de deposició, més ràpida és la velocitat de deposició, més gran és la mida del gra i més rugós és el recobriment. A més, la temperatura i la velocitat de descomposició dels hidrocarburs en C i la descomposició de TaCl5 en Ta són diferents, i Ta i C tenen més probabilitats de formar Ta2C. La temperatura té una gran influència en els materials de carboni modificat del recobriment de TaC. A mesura que augmenta la temperatura de deposició, augmenta la velocitat de deposició, augmenta la mida de la partícula i la forma de la partícula canvia d'esfèrica a polièdrica. A més, com més alta sigui la temperatura de deposició, més ràpida serà la descomposició de TaCl5, menys C lliure serà, major serà la tensió en el recobriment i es generaran fàcilment esquerdes. Tanmateix, la baixa temperatura de deposició comportarà una menor eficiència de deposició del recobriment, un temps de deposició més llarg i uns costos més elevats de matèries primeres.
C. Pressió de deposició: la pressió de deposició està estretament relacionada amb l'energia lliure de la superfície del material i afectarà el temps de residència del gas a la cambra de reacció, afectant així la velocitat de nucleació i la mida de les partícules del recobriment. A mesura que augmenta la pressió de deposició, el temps de residència del gas s'allarga, els reactius tenen més temps per experimentar reaccions de nucleació, la velocitat de reacció augmenta, les partícules es fan més grans i el recobriment es fa més gruixut; per contra, a mesura que la pressió de deposició disminueix, el temps de residència del gas de reacció és curt, la velocitat de reacció s'alenteix, les partícules es fan més petites i el recobriment és més prim, però la pressió de deposició té poc efecte sobre l'estructura del cristall i la composició del recobriment.
V. Tendència de desenvolupament del recobriment de carbur de tàntal
El coeficient d'expansió tèrmica de TaC (6,6 × 10−6K−1) és una mica diferent del dels materials basats en carboni com el grafit, la fibra de carboni i els materials compostos C/C, cosa que fa que els recobriments de TaC monofàsic siguin propensos a esquerdes i caient. Per tal de millorar encara més la resistència a l'ablació i l'oxidació, l'estabilitat mecànica a alta temperatura i la resistència a la corrosió química a alta temperatura dels recobriments TaC, els investigadors han dut a terme investigacions sobre sistemes de recobriment com ara sistemes de recobriment compostos, sistemes de recobriment millorats amb solucions sòlides i gradient. sistemes de recobriment.
El sistema de recobriment compost consisteix a tancar les esquerdes d'un sol recobriment. Normalment, s'introdueixen altres recobriments a la superfície o capa interna de TaC per formar un sistema de recobriment compost; el sistema de recobriment de reforç de la solució sòlida HfC, ZrC, etc. tenen la mateixa estructura cúbica centrada en la cara que TaC, i els dos carburs poden ser infinitament solubles entre si per formar una estructura de solució sòlida. El recobriment Hf(Ta)C està lliure d'esquerdes i té una bona adherència al material compost C/C. El recobriment té un excel·lent rendiment anti-ablació; el recobriment de gradient del sistema de recobriment es refereix a la concentració del component de recobriment al llarg de la seva direcció de gruix. L'estructura pot reduir l'estrès intern, millorar el desajust dels coeficients d'expansió tèrmica i evitar esquerdes.
(II) Productes de dispositius de recobriment de carbur de tàntal
Segons les estadístiques i les previsions de QYR (Hengzhou Bozhi), les vendes mundials del mercat de recobriment de carbur de tàntal el 2021 van assolir els 1,5986 milions de dòlars EUA (excloent els productes de recobriment de carbur de tàntal autoproduïts i autosubministrats de Cree), i encara es troba a principis. etapes del desenvolupament de la indústria.
1. Anells i gresols d'expansió de cristall necessaris per al creixement de cristalls: basant-se en 200 forns de creixement de cristalls per empresa, la quota de mercat dels dispositius recoberts de TaC requerits per 30 empreses de creixement de cristalls és d'uns 4.700 milions de iuans.
2. Safates TaC: Cada safata pot portar 3 hòsties, cada safata es pot utilitzar durant 1 mes, i es consumeix 1 safata per cada 100 hòsties. 3 milions d'hòsties requereixen 30.000 safates TaC, cada safata té unes 20.000 peces i se'n necessiten uns 600 milions cada any.
3. Altres escenaris de reducció de carboni. Com ara el revestiment del forn d'alta temperatura, el broquet CVD, les canonades del forn, etc., uns 100 milions.
Hora de publicació: Jul-02-2024