Во моментов, во третата генерација на полупроводници доминирасилициум карбид. Во структурата на трошоците на неговите уреди, подлогата учествува со 47%, а епитаксијата со 23%. Двете заедно сочинуваат околу 70%, што е најважниот дел одсилициум карбидсинџир на индустрија за производство на уреди.
Најчесто користен метод за подготовкасилициум карбидединечни кристали е методот PVT (физички транспорт на пареа). Принципот е да се направат суровините во зона со висока температура, а семениот кристал во зона со релативно ниска температура. Суровините на повисока температура се разградуваат и директно произведуваат супстанции од гасна фаза без течна фаза. Овие супстанции од гасна фаза се транспортираат до кристалот на семето под погон на аксијалниот температурен градиент, и се јадрени и растат кај семениот кристал за да формираат еден кристал на силициум карбид. Во моментов, странски компании како што се Cree, II-VI, SiCrystal, Dow и домашни компании како Tianyue Advanced, Tianke Heda и Century Golden Core, сите го користат овој метод.
Постојат повеќе од 200 кристални форми на силициум карбид, и потребна е многу прецизна контрола за да се генерира потребната монокристална форма (главната струја е 4H кристална форма). Според проспектот на Tianyue Advanced, приносите на кристалните шипки на компанијата во 2018-2020 и H1 2021 година беа 41%, 38,57%, 50,73% и 49,90%, соодветно, а приносите на подлогата беа 72,7% и 7,7% и 7,7% соодветно. Сеопфатниот принос моментално е само 37,7%. Земајќи го како пример мејнстрим методот PVT, нискиот принос главно се должи на следните тешкотии во подготовката на подлогата на SiC:
1. Тешкотии во контролата на температурното поле: SiC кристалните шипки треба да се произведуваат на висока температура од 2500℃, додека на силициумските кристали им требаат само 1500℃, така што се потребни посебни печки со единечни кристали, а температурата на растот треба прецизно да се контролира за време на производството , што е исклучително тешко да се контролира.
2. Бавна брзина на производство: Стапката на раст на традиционалните силициумски материјали е 300 mm на час, но еднокристалите од силициум карбид можат да растат само 400 микрони на час, што е речиси 800 пати поголема од разликата.
3. Високите барања за добри параметри на производот, а приносот на црната кутија е тешко да се контролира навреме: основните параметри на наполитанките SiC вклучуваат густина на микроцевки, густина на дислокација, отпорност, искривување, грубост на површината итн. За време на процесот на раст на кристалите, тоа е неопходни за прецизно контролирање на параметрите како што се односот силикон-јаглерод, градиентот на температурата на раст, стапката на раст на кристалите и притисокот на протокот на воздух. Во спротивно, најверојатно ќе се појават полиморфни подмножества, што ќе резултира со неквалификувани кристали. Во црната кутија на графитниот сад, невозможно е да се набљудува статусот на раст на кристалот во реално време, а потребна е многу прецизна контрола на термичкото поле, усогласување на материјалот и акумулација на искуство.
4. Тешкотии во експанзијата на кристалите: Според методот на транспорт на гасна фаза, технологијата за проширување на растот на кристалите SiC е исклучително тешка. Како што се зголемува големината на кристалот, неговата тешкотија на раст се зголемува експоненцијално.
5. Генерално низок принос: Нискиот принос главно се состои од две врски: (1) Принос на кристална шипка = излез на кристална шипка од полупроводник/(излез на кристална шипка од полупроводничка класа + излез на кристална прачка од неполупроводничка класа) × 100%; (2) Износ на подлогата = квалификуван излез на подлогата/(квалификуван излез на подлогата + неквалификуван излез на подлогата) × 100%.
Во подготовката на висококвалитетни и висок приноссупстрати од силициум карбид, на јадрото му требаат подобри материјали за топлинско поле за прецизно да ја контролираат температурата на производството. Комплетите за садници за термички полиња кои се користат во моментов се главно графитни структурни делови со висока чистота, кои се користат за загревање и топење на јаглеродниот прав и силициум во прав и за загревање. Графитните материјали имаат карактеристики на висока специфична јачина и специфичен модул, добра отпорност на термички шок и отпорност на корозија, но тие ги имаат недостатоците што лесно се оксидираат во средини со кислород со висока температура, не се отпорни на амонијак и слаба отпорност на гребење. Во процесот на раст на еднокристалот на силициум карбид исилициум карбид епитаксијален нафорапроизводство, тешко е да се исполнат сè построгите барања на луѓето за употреба на графитни материјали, што сериозно го ограничува неговиот развој и практична примена. Затоа, почнаа да се појавуваат премази со висока температура како што е тантал карбид.
2. Карактеристики наТантал карбид облога
TaC керамиката има точка на топење до 3880℃, висока цврстина (Mohs цврстина 9-10), голема топлинска спроводливост (22W·m-1·K−1), голема јачина на свиткување (340-400MPa) и мала термичка експанзија коефициент (6,6×10−6K−1), и покажува одлична термохемиска стабилност и одлични физички својства. Има добра хемиска компатибилност и механичка компатибилност со графит и C/C композитни материјали. Затоа, облогата TaC е широко користена во воздушната термичка заштита, растот на еден кристал, енергетската електроника и медицинската опрема.
TaC-обложенаГрафитот има подобра хемиска отпорност на корозија од голиот графит или графитот обложен со SiC, може да се користи стабилно на високи температури од 2600° и не реагира со многу метални елементи. Тоа е најдобрата облога во сценаријата за раст на полупроводнички единечни кристали и нафора од трета генерација. Може значително да ја подобри контролата на температурата и нечистотиите во процесот и да се подготвивисококвалитетни силициум карбид наполитанкии поврзаниепитаксијални наполитанки. Посебно е погоден за одгледување единечни кристали GaN или AlN со опрема MOCVD и одгледување на SiC единечни кристали со PVT опрема, а квалитетот на одгледуваните единечни кристали е значително подобрен.
III. Предности на уредите обложени со тантал карбид
Употребата на облогата TaC со тантал карбид може да го реши проблемот со дефектите на кристалните рабови и да го подобри квалитетот на растот на кристалите. Тоа е една од основните технички насоки за „брзо растење, густо и растење долго“. Истражувањето на индустријата, исто така, покажа дека садот со графит обложен со тантал карбид може да постигне порамномерно загревање, а со тоа обезбедува одлична контрола на процесот за раст на еден кристал на SiC, со што значително се намалува веројатноста за поликристално формирање на работ на кристалите на SiC. Покрај тоа, облогата од графит со тантал карбид има две главни предности:
(I) Намалување на дефектите на SiC
Во однос на контролирањето на дефектите на еднокристалните SiC, обично постојат три важни начини. Покрај оптимизирањето на параметрите за раст и висококвалитетните изворни материјали (како што е прашокот од изворот на SiC), со користење на танталум карбид обложена графитна ролна може да се постигне и добар квалитет на кристалот.
Шематски дијаграм на конвенционален графитен сад (а) и сад обложен со TAC (б)
Според истражувањето на Универзитетот на Источна Европа во Кореја, главната нечистотија во растот на кристалите на SiC е азот, а графитните садници обложени со тантал карбид можат ефикасно да го ограничат азотното вградување на кристалите на SiC, а со тоа да го намалат создавањето на дефекти како што се микроцевките и да го подобрат кристалот квалитет. Студиите покажаа дека под исти услови, концентрациите на носители на наполитанките SiC одгледувани во конвенционални садници со графит и во садници обложени со TAC се приближно 4,5×1017/cm и 7,6×1015/cm, соодветно.
Споредба на дефекти во единечните кристали на SiC одгледувани во конвенционалните садници со графит (а) и садови обложени со TAC (б)
(II) Подобрување на животниот век на графитните садници
Во моментов, цената на SiC кристалите остана висока, од кои цената на потрошниот материјал за графит сочинува околу 30%. Клучот за намалување на трошоците за потрошен материјал од графит е да се зголеми неговиот век на употреба. Според податоците од британскиот истражувачки тим, облогите од тантал карбид можат да го продолжат работниот век на компонентите на графит за 30-50%. Според оваа пресметка, само замената на графитот обложен со тантал карбид може да ја намали цената на SiC кристалите за 9%-15%.
4. Процес на подготовка на облогата со тантал карбид
Методите за подготовка на облогата TaC може да се поделат во три категории: метод на цврста фаза, метод на течна фаза и метод на гасна фаза. Методот на цврста фаза главно вклучува метод на редукција и хемиски метод; методот на течна фаза вклучува метод на стопена сол, метод на сол-гел (Sol-Gel), метод на кашеста маса, метод на прскање со плазма; методот на гасна фаза вклучува хемиско таложење на пареа (CVD), хемиска инфилтрација на пареа (CVI) и физичко таложење на пареа (PVD). Различни методи имаат свои предности и недостатоци. Меѓу нив, CVD е релативно зрел и широко користен метод за подготовка на TaC облоги. Со континуираното подобрување на процесот, развиени се нови процеси како што се хемиско таложење на пареа со топла жица и хемиско таложење на пареа со помош на јонски сноп.
Материјалите засновани на јаглерод модифицирани со TaC обложување главно вклучуваат графит, јаглеродни влакна и композитни материјали од јаглерод/јаглерод. Методите за подготовка на TaC облоги на графит вклучуваат плазма прскање, CVD, синтерување со кашеста маса итн.
Предности на CVD методот: CVD методот за подготовка на TaC облоги се базира на тантал халид (TaX5) како извор на тантал и јаглеводород (CnHm) како извор на јаглерод. Под одредени услови, тие се разложуваат на Ta и C соодветно, а потоа реагираат едни со други за да добијат TaC облоги. Методот CVD може да се спроведе на пониска температура, со што може да се избегнат дефекти и намалени механички својства предизвикани од високотемпературна подготовка или обработка на облогите до одреден степен. Составот и структурата на облогата се контролираат, а ги има предностите на висока чистота, висока густина и униформа дебелина. Уште поважно, составот и структурата на TaC облогите подготвени од CVD може да се дизајнираат и лесно да се контролираат. Тоа е релативно зрел и широко користен метод за подготовка на висококвалитетни TaC облоги.
Главните фактори кои влијаат на процесот вклучуваат:
А. Стапка на проток на гас (извор на тантал, јаглеводороден гас како извор на јаглерод, гас-носител, гас за разредување Ar2, гас што намалува H2): Промената на брзината на протокот на гас има големо влијание врз температурното поле, полето на притисок и полето на проток на гас во комората за реакција, што резултира со промени во составот, структурата и перформансите на облогата. Зголемувањето на брзината на проток на Ar ќе ја забави стапката на раст на облогата и ќе ја намали големината на зрната, додека односот на моларната маса на TaCl5, H2 и C3H6 влијае на составот на облогата. Моларниот однос на H2 до TaCl5 е (15-20):1, што е посоодветно. Моларниот однос на TaCl5 до C3H6 е теоретски блиску до 3:1. Прекумерното ниво на TaCl5 или C3H6 ќе предизвика формирање на Ta2C или слободен јаглерод, што ќе влијае на квалитетот на нафората.
Б. Температура на таложење: Колку е повисока температурата на таложење, толку е побрза стапката на таложење, толку е поголема големината на зрното и погруб слојот. Покрај тоа, температурата и брзината на распаѓање на јаглеводородите во C и разградувањето на TaCl5 во Ta се различни, а Ta и C се со поголема веројатност да формираат Ta2C. Температурата има големо влијание врз јаглеродните модифицирани материјали за обложување TaC. Како што се зголемува температурата на таложење, стапката на таложење се зголемува, големината на честичките се зголемува, а формата на честичката се менува од сферична во многуедрална. Дополнително, колку е поголема температурата на таложење, толку побрзо ќе се разложи TaCl5, толку помалку слободен C ќе биде, толку е поголем стресот во облогата и лесно ќе се генерираат пукнатини. Сепак, ниската температура на таложење ќе доведе до помала ефикасност на таложење на облогата, подолго време на таложење и повисоки трошоци за суровини.
В. Притисок на таложење: Притисокот на таложење е тесно поврзан со слободната енергија на површината на материјалот и ќе влијае на времето на престој на гасот во комората за реакција, а со тоа ќе влијае на брзината на нуклеација и големината на честичките на облогата. Како што се зголемува притисокот на таложење, времето на престој на гасот станува подолго, реактантите имаат повеќе време да се подложат на реакции на нуклеација, брзината на реакцијата се зголемува, честичките стануваат поголеми и облогата станува подебела; обратно, како што се намалува притисокот на таложење, времето на престој на реакциониот гас е кратко, брзината на реакцијата се забавува, честичките стануваат помали, а облогата е потенка, но притисокот на таложење има мало влијание врз кристалната структура и составот на облогата.
V. Тренд на развој на облогата со тантал карбид
Коефициентот на термичка експанзија на TaC (6,6×10−6K−1) е нешто различен од оној на материјалите базирани на јаглерод, како што се графитот, јаглеродните влакна и C/C композитните материјали, што ги прави еднофазните TaC облоги склони кон пукање и паѓање. Со цел понатамошно подобрување на отпорноста на аблација и оксидација, механичка стабилност на висока температура и отпорност на хемиска корозија на TaC премази на висока температура, истражувачите спроведоа истражување на системи за обложување како што се системи за композитни облоги, системи за обложување засилени со цврст раствор и градиент системи за обложување.
Композитниот систем за обложување е да ги затвори пукнатините на еден слој. Вообичаено, други премази се внесуваат во површинскиот или внатрешниот слој на TaC за да се формира композитен систем за обложување; Системот за обложување за зајакнување на цврст раствор HfC, ZrC, итн. имаат иста кубна структура во центарот на лицето како TaC, а двата карбиди можат да бидат бескрајно растворливи еден во друг за да формираат структура на цврст раствор. Облогата Hf(Ta)C е без пукнатини и има добра адхезија на C/C композитниот материјал. Облогата има одлични перформанси против аблација; градиентната обвивка на системот за обложување се однесува на концентрацијата на компонентата за обложување долж нејзината насока на дебелината. Структурата може да го намали внатрешниот стрес, да ја подобри неусогласеноста на коефициентите на термичка експанзија и да избегне пукнатини.
(II) Производи од уред за обложување со тантал карбид
Според статистичките податоци и прогнозите на QYR (Hengzhou Bozhi), продажбата на глобалниот пазар на облоги од тантал карбид во 2021 година достигна 1,5986 милиони американски долари (без самопроизведените и самоснабдените производи на уреди за обложување со тантал карбид на Кри), и сè уште е во рана фаза фази на развој на индустријата.
1. Кристални експанзионни прстени и садници потребни за раст на кристалите: Врз основа на 200 печки за раст на кристали по претпријатие, пазарниот удел на уредите обложени со TaC што го бараат 30 компании за раст на кристали е околу 4,7 милијарди јуани.
2. TaC тацни: Секој послужавник може да носи 3 наполитанки, секој послужавник може да се користи 1 месец и се троши по 1 плех на секои 100 наполитанки. За 3 милиони обланди потребни се 30.000 TaC тацни, секој послужавник е околу 20.000 парчиња, а околу 600 милиони се потребни секоја година.
3. Други сценарија за намалување на јаглеродот. Како што се висока температура печка поставата, CVD млазницата, печки цевки, итн, околу 100 милиони евра.
Време на објавување: јули-02-2024 година