مواد اصلی برای رشد SiC: پوشش کاربید تانتالم

در حال حاضر، نسل سوم نیمه هادی ها تحت سلطهکاربید سیلیکون. در ساختار هزینه دستگاه های آن، بستر 47 درصد و اپیتاکسی 23 درصد است. این دو با هم حدود 70 درصد را به خود اختصاص می دهند که مهمترین بخش آن استکاربید سیلیکونزنجیره صنعت تولید دستگاه

روش متداول برای تهیهکاربید سیلیکونتک کریستال ها روش PVT (انتقال بخار فیزیکی) است. اصل این است که مواد خام در یک منطقه با دمای بالا و کریستال بذر در یک منطقه با دمای نسبتا پایین ساخته شوند. مواد خام در دمای بالاتر تجزیه شده و مستقیماً مواد فاز گازی بدون فاز مایع تولید می کنند. این مواد فاز گازی تحت هدایت گرادیان دمای محوری به کریستال بذر منتقل می‌شوند و هسته می‌شوند و در کریستال بذر رشد می‌کنند تا یک کریستال کاربید سیلیکون را تشکیل دهند. در حال حاضر شرکت های خارجی مانند Cree، II-VI، SiCrystal، Dow و شرکت های داخلی مانند Tianyue Advanced، Tianke Heda و Century Golden Core همگی از این روش استفاده می کنند.

بیش از 200 شکل کریستالی از کاربید سیلیکون وجود دارد و برای تولید فرم تک کریستالی مورد نیاز به کنترل بسیار دقیقی نیاز است (جریان اصلی شکل کریستالی 4H است). بر اساس دفترچه Tianyue Advanced، بازده میله کریستال این شرکت در سال‌های 2018-2020 و نیمه اول 2021 به ترتیب 41، 38.57، 50.73 و 49.90 درصد و بازده زیرلایه به ترتیب 72.4 درصد، 75.4 درصد و 75.4 درصد بوده است. بازده جامع در حال حاضر تنها 37.7 درصد است. با در نظر گرفتن روش اصلی PVT به عنوان مثال، بازده پایین عمدتاً به دلیل مشکلات زیر در تهیه بستر SiC است:

1. مشکل در کنترل میدان دما: میله های کریستال SiC باید در دمای بالای 2500 درجه سانتیگراد تولید شوند، در حالی که کریستال های سیلیکون فقط به 1500 درجه سانتیگراد نیاز دارند، بنابراین کوره های تک کریستال خاصی مورد نیاز است و دمای رشد باید به طور دقیق در طول تولید کنترل شود. ، که کنترل آن بسیار دشوار است.

2. سرعت تولید آهسته: سرعت رشد مواد سیلیکونی سنتی 300 میلی متر در ساعت است، اما تک کریستال های کاربید سیلیکون تنها می توانند 400 میکرون در ساعت رشد کنند که نزدیک به 800 برابر این تفاوت است.

3. الزامات بالا برای پارامترهای خوب محصول، و کنترل عملکرد جعبه سیاه در زمان دشوار است: پارامترهای اصلی ویفرهای SiC شامل چگالی میکروتیوب، چگالی جابجایی، مقاومت، تاب خوردگی، زبری سطح، و غیره است. در طول فرآیند رشد کریستال، آن است. برای کنترل دقیق پارامترهایی مانند نسبت سیلیکون به کربن، گرادیان دمای رشد، سرعت رشد کریستال و فشار جریان هوا ضروری است. در غیر این صورت، آخال‌های چندشکل به احتمال زیاد رخ می‌دهند که منجر به کریستال‌های نامرغوب می‌شود. در جعبه سیاه بوته گرافیتی، مشاهده وضعیت رشد کریستال در زمان واقعی غیرممکن است و کنترل میدان حرارتی بسیار دقیق، تطبیق مواد و انباشت تجربه مورد نیاز است.

4. مشکل در انبساط کریستال: تحت روش انتقال فاز گاز، فناوری انبساط رشد کریستال SiC بسیار دشوار است. با افزایش اندازه کریستال، دشواری رشد آن به طور تصاعدی افزایش می یابد.

5. به طور کلی کم بازده: عملکرد پایین عمدتا از دو پیوند تشکیل شده است: (1) بازده میله کریستال = خروجی میله کریستالی درجه نیمه هادی/(خروجی میله کریستال درجه نیمه هادی + خروجی میله کریستال درجه غیر نیمه هادی) × 100%; (2) بازده زیرلایه = خروجی بستر واجد شرایط/(خروجی بستر واجد شرایط + خروجی بستر نامرغوب) × 100%.

در تهیه محصولات با کیفیت و با عملکرد بالابسترهای کاربید سیلیکون، هسته برای کنترل دقیق دمای تولید به مواد میدان حرارتی بهتری نیاز دارد. کیت های بوته های میدان حرارتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند عمدتاً قطعات ساختاری گرافیت با خلوص بالا هستند که برای گرم کردن و ذوب پودر کربن و پودر سیلیکون و گرم نگه داشتن استفاده می شوند. مواد گرافیت دارای ویژگی‌های مقاومت ویژه بالا و مدول ویژه، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی هستند، اما دارای معایبی هستند که به راحتی در محیط‌های اکسیژن با دمای بالا اکسید می‌شوند، در برابر آمونیاک مقاوم نیستند و مقاومت ضعیفی در برابر خراش دارند. در فرآیند رشد تک کریستال کاربید سیلیکون وویفر اپیتاکسیال کاربید سیلیکوندر تولید، برآوردن نیازهای سختگیرانه مردم برای استفاده از مواد گرافیت دشوار است، که به طور جدی توسعه و کاربرد عملی آن را محدود می کند. بنابراین، پوشش های با دمای بالا مانند کاربید تانتالم شروع به ظهور کرده اند.

2. ویژگی هایپوشش کاربید تانتالیوم
سرامیک TaC دارای نقطه ذوب تا 3880 درجه سانتیگراد، سختی بالا (سختی Mohs 9-10)، هدایت حرارتی زیاد (22W·m-1·K-1)، استحکام خمشی زیاد (340-400MPa) و انبساط حرارتی کوچک است. ضریب (6.6×10-6K-1)، و پایداری حرارتی عالی و خواص فیزیکی عالی را نشان می دهد. سازگاری شیمیایی و سازگاری مکانیکی خوبی با گرافیت و مواد کامپوزیت C/C دارد. بنابراین، پوشش TaC به طور گسترده در حفاظت حرارتی هوافضا، رشد تک کریستال، الکترونیک انرژی و تجهیزات پزشکی استفاده می شود.

دارای پوشش TaCگرافیت نسبت به گرافیت لخت یا گرافیت پوشش داده شده با SiC مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی بهتری دارد، می تواند به طور پایدار در دمای بالای 2600 درجه استفاده شود و با بسیاری از عناصر فلزی واکنش نشان نمی دهد. این بهترین پوشش در سناریوهای رشد تک کریستال نیمه هادی نسل سوم و سناریوهای حکاکی ویفر است. این می تواند به طور قابل توجهی کنترل دما و ناخالصی ها را در فرآیند بهبود بخشد و آماده کندویفرهای کاربید سیلیکون با کیفیت بالاو مرتبطویفرهای اپیتاکسیال. به ویژه برای رشد تک کریستال های GaN یا AlN با تجهیزات MOCVD و رشد تک بلورهای SiC با تجهیزات PVT مناسب است و کیفیت تک بلورهای رشد یافته به طور قابل توجهی بهبود می یابد.

III. مزایای دستگاه های پوشش داده شده با کاربید تانتالیوم
استفاده از روکش تانتالیوم کاربید TaC می تواند مشکل عیوب لبه کریستال را حل کرده و کیفیت رشد کریستال را بهبود بخشد. این یکی از جهات فنی اصلی "رشد سریع، ضخیم شدن و رشد طولانی" است. تحقیقات صنعتی همچنین نشان داده است که بوته گرافیتی با پوشش کاربید تانتالم می تواند به گرمایش یکنواخت تری دست یابد، در نتیجه کنترل فرآیند عالی را برای رشد تک بلور SiC فراهم می کند، بنابراین احتمال تشکیل چند کریستالی در لبه بلورهای SiC را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. علاوه بر این، پوشش گرافیتی کاربید تانتالم دو مزیت عمده دارد:

(I) کاهش نقص SiC

از نظر کنترل عیوب تک کریستالی SiC، معمولاً سه راه مهم وجود دارد. علاوه بر بهینه سازی پارامترهای رشد و مواد منبع با کیفیت بالا (مانند پودر منبع SiC)، با استفاده از بوته گرافیتی با پوشش کاربید تانتالم می توان به کیفیت کریستالی خوبی نیز دست یافت.

نمودار شماتیک بوته گرافیتی معمولی (الف) و بوته با پوشش TAC (ب)

طبق تحقیقات دانشگاه اروپای شرقی در کره، ناخالصی اصلی در رشد کریستال SiC نیتروژن است و بوته های گرافیتی با روکش کاربید تانتالیوم می توانند به طور موثری ترکیب نیتروژن کریستال های SiC را محدود کنند و در نتیجه تولید عیوب مانند میکرولوله ها را کاهش دهند و کریستال را بهبود بخشند. کیفیت مطالعات نشان داده است که تحت شرایط یکسان، غلظت حامل ویفرهای SiC که در بوته های گرافیتی معمولی و بوته های با پوشش TAC رشد می کنند، به ترتیب تقریباً 4.5×1017/cm و 7.6×1015/cm است.

مقایسه عیوب در تک بلورهای SiC رشد یافته در بوته های گرافیتی معمولی (الف) و بوته های با پوشش TAC (ب)

(II) بهبود عمر بوته های گرافیتی

در حال حاضر، هزینه کریستال های SiC بالا باقی مانده است، که هزینه مواد مصرفی گرافیت حدود 30٪ از آن را تشکیل می دهد. کلید کاهش هزینه مواد مصرفی گرافیت، افزایش عمر مفید آن است. بر اساس داده های یک تیم تحقیقاتی بریتانیایی، پوشش های کاربید تانتالم می توانند عمر مفید اجزای گرافیت را 30 تا 50 درصد افزایش دهند. بر اساس این محاسبه، تنها جایگزینی گرافیت پوشش داده شده با کاربید تانتالم می تواند هزینه کریستال های SiC را 9 تا 15 درصد کاهش دهد.

4. فرآیند آماده سازی پوشش کاربید تانتالم
روش های تهیه پوشش TaC را می توان به سه دسته تقسیم کرد: روش فاز جامد، روش فاز مایع و روش فاز گاز. روش فاز جامد عمدتاً شامل روش کاهش و روش شیمیایی است. روش فاز مایع شامل روش نمک مذاب، روش سل-ژل (Sol-Gel)، روش دوغاب تف جوشی، روش اسپری پلاسما است. روش فاز گاز شامل رسوب شیمیایی بخار (CVD)، نفوذ شیمیایی بخار (CVI) و رسوب فیزیکی بخار (PVD) است. روش های مختلف مزایا و معایب خاص خود را دارند. در این میان، CVD یک روش نسبتا بالغ و پرکاربرد برای تهیه پوشش‌های TaC است. با بهبود مستمر فرآیند، فرآیندهای جدیدی مانند رسوب بخار شیمیایی سیم داغ و رسوب بخار شیمیایی به کمک پرتو یونی توسعه یافته اند.

مواد مبتنی بر کربن اصلاح شده با پوشش TaC عمدتاً شامل گرافیت، فیبر کربن و مواد کامپوزیت کربن/کربن هستند. روش‌های تهیه پوشش‌های TaC روی گرافیت شامل پاشش پلاسما، CVD، زینترینگ دوغاب و غیره است.

مزایای روش CVD: روش CVD برای تهیه پوشش های TaC بر اساس هالید تانتالیوم (TaX5) به عنوان منبع تانتالیوم و هیدروکربن (CnHm) به عنوان منبع کربن است. تحت شرایط خاصی، آنها به ترتیب به Ta و C تجزیه می شوند و سپس با یکدیگر واکنش می دهند تا پوشش TaC به دست آید. روش CVD را می توان در دمای پایین تری انجام داد، که می تواند از نقص و کاهش خواص مکانیکی ناشی از آماده سازی در دمای بالا یا درمان پوشش ها تا حد معینی جلوگیری کند. ترکیب و ساختار پوشش قابل کنترل است و دارای مزایای خلوص بالا، چگالی بالا و ضخامت یکنواخت است. مهمتر از آن، ترکیب و ساختار پوشش های TaC تهیه شده توسط CVD می تواند طراحی و به راحتی کنترل شود. این یک روش نسبتا بالغ و پرکاربرد برای تهیه پوشش های TaC با کیفیت بالا است.

عوامل اصلی مؤثر بر فرآیند عبارتند از:

الف) سرعت جریان گاز (منبع تانتالم، گاز هیدروکربن به عنوان منبع کربن، گاز حامل، گاز رقیق کننده Ar2، گاز کاهنده H2): تغییر در سرعت جریان گاز تأثیر زیادی بر میدان دما، میدان فشار و میدان جریان گاز در محفظه واکنش، که منجر به تغییر در ترکیب، ساختار و عملکرد پوشش می شود. افزایش سرعت جریان Ar باعث کاهش سرعت رشد پوشش و کاهش اندازه دانه می شود، در حالی که نسبت جرم مولی TaCl5، H2 و C3H6 بر ترکیب پوشش تأثیر می گذارد. نسبت مولی H2 به TaCl5 (15-20):1 است که مناسب تر است. نسبت مولی TaCl5 به C3H6 از نظر تئوری نزدیک به 3:1 است. TaCl5 یا C3H6 بیش از حد باعث تشکیل Ta2C یا کربن آزاد می شود که بر کیفیت ویفر تأثیر می گذارد.

ب- دمای رسوب: هرچه دمای رسوب بالاتر باشد، سرعت رسوب سریعتر، دانه بندی بزرگتر و پوشش زبرتر است. علاوه بر این، دما و سرعت تجزیه هیدروکربن به C و تجزیه TaCl5 به Ta متفاوت است و Ta و C به احتمال زیاد Ta2C را تشکیل می دهند. دما تأثیر زیادی بر روی مواد کربنی اصلاح شده پوشش TaC دارد. با افزایش دمای رسوب، سرعت رسوب افزایش می یابد، اندازه ذرات افزایش می یابد و شکل ذرات از کروی به چند وجهی تغییر می کند. علاوه بر این، هر چه دمای رسوب بالاتر باشد، تجزیه TaCl5 سریعتر، C آزاد کمتری خواهد داشت، تنش در پوشش بیشتر می شود و به راحتی ترک ایجاد می شود. با این حال، دمای رسوب پایین منجر به راندمان رسوب پوشش کمتر، زمان رسوب گذاری طولانی تر و هزینه های مواد خام بالاتر می شود.

ج- فشار رسوب گذاری: فشار رسوب گذاری ارتباط نزدیکی با انرژی آزاد سطح ماده دارد و بر زمان ماندن گاز در محفظه واکنش تأثیر می گذارد و در نتیجه بر سرعت هسته و اندازه ذرات پوشش تأثیر می گذارد. با افزایش فشار رسوب، زمان ماندن گاز طولانی تر می شود، واکنش دهنده ها زمان بیشتری برای انجام واکنش های هسته ای دارند، سرعت واکنش افزایش می یابد، ذرات بزرگتر می شوند و پوشش ضخیم تر می شود. برعکس، با کاهش فشار رسوب، زمان ماندن گاز واکنش کوتاه است، سرعت واکنش کاهش می‌یابد، ذرات کوچک‌تر می‌شوند و پوشش نازک‌تر می‌شود، اما فشار رسوب‌گذاری تأثیر کمی بر ساختار بلوری و ترکیب پوشش دارد.

V. روند توسعه پوشش کاربید تانتالیوم
ضریب انبساط حرارتی TaC (6.6×10-6K-1) تا حدودی با مواد مبتنی بر کربن مانند گرافیت، فیبر کربن و مواد کامپوزیت C/C متفاوت است، که باعث می شود پوشش های TaC تک فاز مستعد ترک خوردن و ترک خوردن شوند. سقوط کردن به منظور بهبود بیشتر مقاومت در برابر فرسایش و اکسیداسیون، پایداری مکانیکی در دمای بالا، و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی در دمای بالا پوشش‌های TaC، محققان تحقیقاتی را بر روی سیستم‌های پوششی مانند سیستم‌های پوشش کامپوزیت، سیستم‌های پوشش تقویت‌شده با محلول جامد و گرادیان انجام داده‌اند. سیستم های پوشش

سیستم پوشش کامپوزیت برای بستن ترک های یک پوشش است. معمولاً پوشش‌های دیگری به سطح یا لایه داخلی TaC وارد می‌شوند تا یک سیستم پوشش مرکب را تشکیل دهند. سیستم پوشش تقویت کننده محلول جامد HfC، ZrC، و غیره دارای ساختار مکعبی متمرکز روی سطح یکسان با TaC هستند و این دو کاربید می توانند بی نهایت در یکدیگر حل شوند و ساختار محلول جامد را تشکیل دهند. پوشش Hf(Ta)C بدون ترک است و چسبندگی خوبی به مواد کامپوزیت C/C دارد. این پوشش دارای عملکرد ضد فرسایشی عالی است. پوشش گرادیان سیستم پوشش گرادیان به غلظت اجزای پوشش در جهت ضخامت آن اشاره دارد. ساختار می تواند تنش داخلی را کاهش دهد، عدم تطابق ضرایب انبساط حرارتی را بهبود بخشد و از ترک خوردن جلوگیری کند.

(II) محصولات دستگاه پوشش کاربید تانتالم

طبق آمار و پیش‌بینی‌های QYR (هنگژو بوژی)، فروش جهانی پوشش کاربید تانتالوم در سال 2021 به 1.5986 میلیون دلار آمریکا (بدون احتساب محصولات دستگاه پوشش کاربید تانتالیوم خود تولید و عرضه‌شده کری) رسید و هنوز در ابتدای کار است. مراحل توسعه صنعت

1. حلقه های انبساط کریستال و بوته های مورد نیاز برای رشد کریستال: بر اساس 200 کوره رشد کریستال در هر شرکت، سهم بازار دستگاه های با پوشش TaC مورد نیاز 30 شرکت رشد کریستال حدود 4.7 میلیارد یوان است.

2. سینی TaC: هر سینی می تواند 3 ویفر را حمل کند، هر سینی را می توان به مدت 1 ماه استفاده کرد و برای هر 100 ویفر 1 سینی مصرف می شود. 3 میلیون ویفر به 30000 سینی TaC نیاز دارد، هر سینی حدود 20000 قطعه است و هر سال حدود 600 میلیون مورد نیاز است.

3. دیگر سناریوهای کاهش کربن. مانند آستر کوره با دمای بالا، نازل CVD، لوله های کوره و غیره حدود 100 میلیون.