Pada masa ini, generasi ketiga semikonduktor dikuasai olehsilikon karbida. Dalam struktur kos perantinya, substrat menyumbang 47%, dan epitaksi menyumbang 23%. Kedua-duanya bersama-sama menyumbang kira-kira 70%, yang merupakan bahagian terpenting dalamsilikon karbidarantaian industri pembuatan peranti.
Kaedah yang biasa digunakan untuk penyediaansilikon karbidakristal tunggal ialah kaedah PVT (pengangkutan wap fizikal). Prinsipnya adalah untuk membuat bahan mentah dalam zon suhu tinggi dan kristal benih dalam zon suhu yang agak rendah. Bahan mentah pada suhu yang lebih tinggi terurai dan secara langsung menghasilkan bahan fasa gas tanpa fasa cecair. Bahan fasa gas ini diangkut ke kristal benih di bawah pemacuan kecerunan suhu paksi, dan nukleus dan tumbuh pada kristal benih untuk membentuk kristal tunggal silikon karbida. Pada masa ini, syarikat asing seperti Cree, II-VI, SiCrystal, Dow dan syarikat domestik seperti Tianyue Advanced, Tianke Heda, dan Century Golden Core semuanya menggunakan kaedah ini.
Terdapat lebih daripada 200 bentuk kristal silikon karbida, dan kawalan yang sangat tepat diperlukan untuk menghasilkan bentuk kristal tunggal yang diperlukan (arus perdana ialah bentuk kristal 4H). Menurut prospektus Tianyue Advanced, hasil rod kristal syarikat pada 2018-2020 dan H1 2021 masing-masing adalah 41%, 38.57%, 50.73% dan 49.90%, dan hasil substrat masing-masing adalah 72.61%, 75.15%, 75.15%, 75.15%, dan 75.15%. Hasil komprehensif pada masa ini hanya 37.7%. Mengambil kaedah PVT arus perdana sebagai contoh, hasil yang rendah disebabkan terutamanya oleh kesukaran berikut dalam penyediaan substrat SiC:
1. Kesukaran dalam kawalan medan suhu: Rod kristal SiC perlu dihasilkan pada suhu tinggi 2500 ℃, manakala kristal silikon hanya memerlukan 1500 ℃, jadi relau kristal tunggal khas diperlukan, dan suhu pertumbuhan perlu dikawal dengan tepat semasa pengeluaran , yang amat sukar dikawal.
2. Kelajuan pengeluaran yang perlahan: Kadar pertumbuhan bahan silikon tradisional ialah 300 mm sejam, tetapi kristal tunggal silikon karbida hanya boleh berkembang 400 mikron sejam, iaitu hampir 800 kali perbezaan.
3. Keperluan tinggi untuk parameter produk yang baik, dan hasil kotak hitam sukar dikawal dalam masa: Parameter teras wafer SiC termasuk ketumpatan mikrotube, ketumpatan terkehel, kerintangan, warpage, kekasaran permukaan, dll. Semasa proses pertumbuhan kristal, ia adalah diperlukan untuk mengawal parameter dengan tepat seperti nisbah silikon-karbon, kecerunan suhu pertumbuhan, kadar pertumbuhan kristal, dan tekanan aliran udara. Jika tidak, kemasukan polimorfik berkemungkinan berlaku, mengakibatkan kristal tidak layak. Dalam kotak hitam bekas grafit, adalah mustahil untuk melihat status pertumbuhan kristal dalam masa nyata, dan kawalan medan haba yang sangat tepat, padanan bahan, dan pengumpulan pengalaman diperlukan.
4. Kesukaran dalam pengembangan kristal: Di bawah kaedah pengangkutan fasa gas, teknologi pengembangan pertumbuhan kristal SiC adalah amat sukar. Apabila saiz kristal bertambah, kesukaran pertumbuhannya meningkat secara eksponen.
5. Umumnya hasil rendah: Hasil rendah terutamanya terdiri daripada dua pautan: (1) Hasil rod kristal = keluaran rod kristal gred semikonduktor/(output rod kristal gred semikonduktor + keluaran rod kristal bukan gred semikonduktor) × 100%; (2) Hasil substrat = keluaran substrat layak/(output substrat layak + keluaran substrat tidak layak) × 100%.
Dalam penyediaan berkualiti tinggi dan hasil tinggisubstrat silikon karbida, teras memerlukan bahan medan haba yang lebih baik untuk mengawal suhu pengeluaran dengan tepat. Kit pijar medan haba yang digunakan pada masa ini adalah terutamanya bahagian struktur grafit ketulenan tinggi, yang digunakan untuk memanaskan dan mencairkan serbuk karbon dan serbuk silikon dan memanaskan badan. Bahan grafit mempunyai ciri-ciri kekuatan spesifik yang tinggi dan modulus spesifik, rintangan kejutan haba yang baik dan rintangan kakisan, tetapi ia mempunyai kelemahan kerana mudah teroksida dalam persekitaran oksigen suhu tinggi, tidak tahan kepada ammonia, dan rintangan calar yang lemah. Dalam proses pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida danwafer epitaxial silikon karbidapengeluaran, sukar untuk memenuhi keperluan orang yang semakin ketat untuk penggunaan bahan grafit, yang secara serius menyekat pembangunan dan aplikasi praktikalnya. Oleh itu, salutan suhu tinggi seperti tantalum carbide telah mula muncul.
2. Ciri-ciriSalutan Tantalum Carbide
Seramik TaC mempunyai takat lebur sehingga 3880℃, kekerasan tinggi (kekerasan Mohs 9-10), kekonduksian terma yang besar (22W·m-1·K−1), kekuatan lenturan yang besar (340-400MPa), dan pengembangan haba yang kecil pekali (6.6×10−6K−1), dan mempamerkan kestabilan termokimia yang sangat baik dan sifat fizikal yang sangat baik. Ia mempunyai keserasian kimia yang baik dan keserasian mekanikal dengan grafit dan bahan komposit C/C. Oleh itu, salutan TaC digunakan secara meluas dalam perlindungan haba aeroangkasa, pertumbuhan kristal tunggal, elektronik tenaga, dan peralatan perubatan.
bersalut TaCgrafit mempunyai rintangan kakisan kimia yang lebih baik daripada grafit kosong atau grafit bersalut SiC, boleh digunakan secara stabil pada suhu tinggi 2600°, dan tidak bertindak balas dengan banyak unsur logam. Ia adalah salutan terbaik dalam pertumbuhan kristal tunggal semikonduktor generasi ketiga dan senario goresan wafer. Ia boleh meningkatkan dengan ketara kawalan suhu dan kekotoran dalam proses dan menyediakanwafer silikon karbida berkualiti tinggidan berkaitanwafer epitaxial. Ia amat sesuai untuk mengembangkan kristal tunggal GaN atau AlN dengan peralatan MOCVD dan mengembangkan kristal tunggal SiC dengan peralatan PVT, dan kualiti kristal tunggal yang ditanam dipertingkatkan dengan ketara.
III. Kelebihan Peranti Bersalut Tantalum Carbide
Penggunaan salutan TaC Tantalum Carbide dapat menyelesaikan masalah kecacatan tepi kristal dan meningkatkan kualiti pertumbuhan kristal. Ia adalah salah satu arahan teknikal teras "berkembang pesat, tumbuh tebal, dan berkembang panjang". Penyelidikan industri juga telah menunjukkan bahawa Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible boleh mencapai pemanasan yang lebih seragam, dengan itu menyediakan kawalan proses yang sangat baik untuk pertumbuhan kristal tunggal SiC, dengan itu mengurangkan dengan ketara kebarangkalian pembentukan polihabluran di pinggir kristal SiC. Di samping itu, Tantalum Carbide Graphite Coating mempunyai dua kelebihan utama:
(I) Mengurangkan Kecacatan SiC
Dari segi mengawal kecacatan kristal tunggal SiC, biasanya terdapat tiga cara penting. Selain mengoptimumkan parameter pertumbuhan dan bahan sumber berkualiti tinggi (seperti serbuk sumber SiC), menggunakan Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible juga boleh mencapai kualiti kristal yang baik.
Gambar rajah skema mangkuk pijar grafit konvensional (a) dan mangkuk pijar bersalut TAC (b)
Menurut penyelidikan oleh Universiti Eropah Timur di Korea, kekotoran utama dalam pertumbuhan kristal SiC ialah nitrogen, dan mangkuk pijar grafit bersalut tantalum karbida boleh mengehadkan penggabungan nitrogen bagi kristal SiC dengan berkesan, dengan itu mengurangkan penjanaan kecacatan seperti paip mikro dan memperbaiki kristal. kualiti. Kajian telah menunjukkan bahawa dalam keadaan yang sama, kepekatan pembawa wafer SiC yang ditanam dalam mangkuk pijar grafit konvensional dan mangkuk pijar bersalut TAC adalah masing-masing lebih kurang 4.5×1017/cm dan 7.6×1015/cm.
Perbandingan kecacatan dalam kristal tunggal SiC yang ditanam dalam mangkuk pijar grafit konvensional (a) dan mangkuk pijar bersalut TAC (b)
(II) Memperbaiki hayat pijar grafit
Pada masa ini, kos kristal SiC kekal tinggi, yang mana kos bahan guna grafit menyumbang kira-kira 30%. Kunci untuk mengurangkan kos bahan guna grafit adalah untuk meningkatkan hayat perkhidmatannya. Menurut data dari pasukan penyelidik British, salutan tantalum karbida boleh memanjangkan hayat perkhidmatan komponen grafit sebanyak 30-50%. Mengikut pengiraan ini, hanya menggantikan grafit bersalut tantalum karbida boleh mengurangkan kos kristal SiC sebanyak 9%-15%.
4. Proses penyediaan salutan tantalum karbida
Kaedah penyediaan salutan TaC boleh dibahagikan kepada tiga kategori: kaedah fasa pepejal, kaedah fasa cecair dan kaedah fasa gas. Kaedah fasa pepejal terutamanya termasuk kaedah pengurangan dan kaedah kimia; kaedah fasa cecair termasuk kaedah garam cair, kaedah sol-gel (Sol-Gel), kaedah pensinteran buburan, kaedah penyemburan plasma; kaedah fasa gas merangkumi pemendapan wap kimia (CVD), penyusupan wap kimia (CVI) dan pemendapan wap fizikal (PVD). Kaedah yang berbeza mempunyai kelebihan dan kekurangan mereka sendiri. Antaranya, CVD adalah kaedah yang agak matang dan digunakan secara meluas untuk menyediakan salutan TaC. Dengan penambahbaikan berterusan proses itu, proses baharu seperti pemendapan wap kimia wayar panas dan pemendapan wap kimia bantuan rasuk ion telah dibangunkan.
Bahan berasaskan karbon diubah suai lapisan TaC terutamanya termasuk grafit, gentian karbon dan bahan komposit karbon/karbon. Kaedah untuk menyediakan salutan TaC pada grafit termasuk penyemburan plasma, CVD, pensinteran buburan, dsb.
Kelebihan kaedah CVD: Kaedah CVD untuk menyediakan salutan TaC adalah berdasarkan tantalum halida (TaX5) sebagai sumber tantalum dan hidrokarbon (CnHm) sebagai sumber karbon. Di bawah keadaan tertentu, mereka masing-masing diuraikan menjadi Ta dan C, dan kemudian bertindak balas antara satu sama lain untuk mendapatkan salutan TaC. Kaedah CVD boleh dijalankan pada suhu yang lebih rendah, yang boleh mengelakkan kecacatan dan mengurangkan sifat mekanikal yang disebabkan oleh penyediaan suhu tinggi atau rawatan salutan pada tahap tertentu. Komposisi dan struktur salutan boleh dikawal, dan ia mempunyai kelebihan ketulenan tinggi, ketumpatan tinggi, dan ketebalan seragam. Lebih penting lagi, komposisi dan struktur salutan TaC yang disediakan oleh CVD boleh direka bentuk dan dikawal dengan mudah. Ia adalah kaedah yang agak matang dan digunakan secara meluas untuk menyediakan salutan TaC berkualiti tinggi.
Faktor utama yang mempengaruhi proses termasuk:
A. Kadar aliran gas (sumber tantalum, gas hidrokarbon sebagai sumber karbon, gas pembawa, gas pencairan Ar2, gas pengurangan H2): Perubahan kadar aliran gas mempunyai pengaruh yang besar terhadap medan suhu, medan tekanan, dan medan aliran gas dalam ruang tindak balas, mengakibatkan perubahan dalam komposisi, struktur, dan prestasi salutan. Meningkatkan kadar aliran Ar akan melambatkan kadar pertumbuhan salutan dan mengurangkan saiz butiran, manakala nisbah jisim molar TaCl5, H2, dan C3H6 mempengaruhi komposisi salutan. Nisbah molar H2 kepada TaCl5 ialah (15-20):1, yang mana lebih sesuai. Nisbah molar TaCl5 kepada C3H6 secara teorinya hampir kepada 3:1. TaCl5 atau C3H6 yang berlebihan akan menyebabkan pembentukan Ta2C atau karbon bebas, menjejaskan kualiti wafer.
B. Suhu pemendapan: Semakin tinggi suhu pemendapan, semakin cepat kadar pemendapan, semakin besar saiz butiran, dan semakin kasar salutan. Di samping itu, suhu dan kelajuan penguraian hidrokarbon menjadi C dan TaCl5 penguraian menjadi Ta adalah berbeza, dan Ta dan C lebih cenderung untuk membentuk Ta2C. Suhu mempunyai pengaruh yang besar pada bahan karbon diubah suai lapisan TaC. Apabila suhu pemendapan meningkat, kadar pemendapan meningkat, saiz zarah bertambah, dan bentuk zarah berubah daripada sfera kepada polyhedral. Di samping itu, semakin tinggi suhu pemendapan, semakin cepat penguraian TaCl5, semakin kurang C bebas, semakin besar tegasan dalam salutan, dan retak akan mudah dijana. Walau bagaimanapun, suhu pemendapan yang rendah akan membawa kepada kecekapan pemendapan salutan yang lebih rendah, masa pemendapan yang lebih lama dan kos bahan mentah yang lebih tinggi.
C. Tekanan pemendapan: Tekanan pemendapan berkait rapat dengan tenaga bebas permukaan bahan dan akan menjejaskan masa tinggal gas dalam ruang tindak balas, dengan itu menjejaskan kelajuan nukleasi dan saiz zarah salutan. Apabila tekanan pemendapan meningkat, masa kediaman gas menjadi lebih lama, bahan tindak balas mempunyai lebih banyak masa untuk menjalani tindak balas nukleasi, kadar tindak balas meningkat, zarah menjadi lebih besar, dan salutan menjadi lebih tebal; sebaliknya, apabila tekanan pemendapan berkurangan, masa tinggal gas tindak balas adalah singkat, kadar tindak balas menjadi perlahan, zarah menjadi lebih kecil, dan salutan lebih nipis, tetapi tekanan pemendapan mempunyai sedikit kesan ke atas struktur kristal dan komposisi salutan.
V. Trend pembangunan salutan tantalum karbida
Pekali pengembangan terma TaC (6.6×10−6K−1) agak berbeza daripada bahan berasaskan karbon seperti grafit, gentian karbon dan bahan komposit C/C, yang menjadikan salutan TaC fasa tunggal terdedah kepada keretakan dan terjatuh. Untuk meningkatkan lagi rintangan ablasi dan pengoksidaan, kestabilan mekanikal suhu tinggi, dan rintangan kakisan kimia suhu tinggi salutan TaC, penyelidik telah menjalankan penyelidikan mengenai sistem salutan seperti sistem salutan komposit, sistem salutan dipertingkat penyelesaian pepejal, dan kecerunan. sistem salutan.
Sistem salutan komposit adalah untuk menutup retakan salutan tunggal. Biasanya, salutan lain dimasukkan ke dalam permukaan atau lapisan dalam TaC untuk membentuk sistem salutan komposit; sistem salutan pengukuhan larutan pepejal HfC, ZrC, dsb. mempunyai struktur kubik berpusat muka yang sama seperti TaC, dan kedua-dua karbida boleh larut secara tak terhingga antara satu sama lain untuk membentuk struktur larutan pepejal. Salutan Hf(Ta)C adalah bebas retak dan mempunyai lekatan yang baik pada bahan komposit C/C. Salutan mempunyai prestasi anti-ablasi yang sangat baik; salutan kecerunan sistem salutan kecerunan merujuk kepada kepekatan komponen salutan sepanjang arah ketebalannya. Struktur boleh mengurangkan tekanan dalaman, memperbaiki ketidakpadanan pekali pengembangan haba, dan mengelakkan keretakan.
(II) Produk peranti salutan karbida tantalum
Menurut statistik dan ramalan QYR (Hengzhou Bozhi), jualan pasaran salutan tantalum karbida global pada 2021 mencecah AS$1.5986 juta (tidak termasuk produk peranti salutan tantalum karbida yang dikeluarkan sendiri dan dibekalkan sendiri oleh Cree), dan ia masih dalam peringkat awal. peringkat pembangunan industri.
1. Cincin pengembangan kristal dan mangkuk pijar diperlukan untuk pertumbuhan kristal: Berdasarkan 200 relau pertumbuhan kristal bagi setiap perusahaan, bahagian pasaran peranti bersalut TaC yang diperlukan oleh 30 syarikat pertumbuhan kristal ialah kira-kira 4.7 bilion yuan.
2. Dulang TaC: Setiap dulang boleh membawa 3 wafer, setiap dulang boleh digunakan selama 1 bulan, dan 1 dulang digunakan untuk setiap 100 wafer. 3 juta wafer memerlukan 30,000 dulang TaC, setiap dulang adalah kira-kira 20,000 keping, dan kira-kira 600 juta diperlukan setiap tahun.
3. Senario pengurangan karbon lain. Seperti lapisan relau suhu tinggi, muncung CVD, paip relau, dll., kira-kira 100 juta.
Masa siaran: Jul-02-2024