På nuværende tidspunkt er tredje generation af halvledere domineret afsiliciumcarbid. I omkostningsstrukturen for dets enheder tegner substratet sig for 47%, og epitaksien tegner sig for 23%. De to tegner sig tilsammen for omkring 70%, hvilket er den vigtigste del afsiliciumcarbidkæde til fremstilling af enheder.
Den almindeligt anvendte metode til tilberedningsiliciumcarbidenkeltkrystaller er PVT-metoden (fysisk damptransport). Princippet er at fremstille råvarerne i en højtemperaturzone og frøkrystallen i en relativt lavtemperaturzone. Råvarerne ved en højere temperatur nedbrydes og producerer direkte gasfasestoffer uden væskefase. Disse gasfasestoffer transporteres til podekrystallen under drevet af den aksiale temperaturgradient og kernedannelse og vokse ved podekrystallen til dannelse af en siliciumcarbid-enkeltkrystal. På nuværende tidspunkt bruger udenlandske virksomheder som Cree, II-VI, SiCrystal, Dow og indenlandske virksomheder som Tianyue Advanced, Tianke Heda og Century Golden Core alle denne metode.
Der er mere end 200 krystalformer af siliciumcarbid, og meget præcis kontrol er påkrævet for at generere den påkrævede enkeltkrystalform (mainstrømmen er 4H krystalform). Ifølge Tianyue Advanced's prospekt var virksomhedens udbytte af krystalstang i 2018-2020 og 1. halvår 2021 henholdsvis 41%, 38,57%, 50,73% og 49,90%, og substratudbyttet var henholdsvis 72,51% og 72,51% og 7,51%. ly. Det samlede udbytte er i øjeblikket kun 37,7%. Tager man den almindelige PVT-metode som eksempel, skyldes det lave udbytte hovedsageligt følgende vanskeligheder ved SiC-substratforberedelse:
1. Vanskeligheder ved temperaturfeltkontrol: SiC-krystalstænger skal produceres ved en høj temperatur på 2500 ℃, mens siliciumkrystaller kun behøver 1500 ℃, så specielle enkeltkrystalovne er påkrævet, og væksttemperaturen skal kontrolleres præcist under produktionen , hvilket er ekstremt svært at kontrollere.
2. Langsom produktionshastighed: Væksthastigheden af traditionelle siliciummaterialer er 300 mm i timen, men siliciumcarbid-enkeltkrystaller kan kun vokse 400 mikron i timen, hvilket er næsten 800 gange forskellen.
3. Høje krav til gode produktparametre, og black box-udbyttet er vanskeligt at kontrollere i tide: Kerneparametrene for SiC-wafere omfatter mikrorørsdensitet, dislokationstæthed, resistivitet, vridning, overfladeruhed osv. Under krystalvækstprocessen er det nødvendigt for nøjagtigt at kontrollere parametre såsom silicium-carbon-forhold, væksttemperaturgradient, krystalvæksthastighed og luftstrømstryk. Ellers vil der sandsynligvis forekomme polymorfe indeslutninger, hvilket resulterer i ukvalificerede krystaller. I den sorte boks i grafitdiglen er det umuligt at observere krystalvækststatus i realtid, og der kræves meget præcis termisk feltkontrol, materialetilpasning og erfaringsophobning.
4. Vanskeligheder ved krystaludvidelse: Under gasfasetransportmetoden er ekspansionsteknologien for SiC-krystalvækst ekstremt vanskelig. Når krystalstørrelsen øges, øges dens vækstbesvær eksponentielt.
5. Generelt lavt udbytte: Lavt udbytte er hovedsageligt sammensat af to led: (1) Krystalstangudbytte = halvlederkrystalstangudgang/(halvlederkrystalstangudgang + ikke-halvlederkrystalstangudgang) × 100%; (2) Substratudbytte = kvalificeret substratoutput/(kvalificeret substratoutput + ukvalificeret substratoutput) × 100%.
I udarbejdelsen af høj kvalitet og højt udbyttesiliciumcarbid substrater, kernen har brug for bedre termiske feltmaterialer for nøjagtigt at kontrollere produktionstemperaturen. De termiske feltdigelsæt, der i øjeblikket anvendes, er hovedsageligt højrent grafitstrukturdele, som bruges til at opvarme og smelte kulstofpulver og siliciumpulver og holde varmen. Grafitmaterialer har karakteristika af høj specifik styrke og specifikt modul, god termisk stødbestandighed og korrosionsbestandighed, men de har ulemperne ved at være let oxiderede i højtemperatur-iltmiljøer, ikke modstandsdygtige over for ammoniak og dårlig ridsebestandighed. I processen med siliciumcarbid enkelt krystal vækst ogsiliciumcarbid epitaksial waferproduktion, er det vanskeligt at opfylde folks stadig strengere krav til brugen af grafitmaterialer, hvilket alvorligt begrænser dets udvikling og praktiske anvendelse. Derfor er højtemperaturbelægninger såsom tantalcarbid begyndt at dukke op.
2. Karakteristika vedTantalcarbid belægning
TaC keramik har et smeltepunkt på op til 3880 ℃, høj hårdhed (Mohs hårdhed 9-10), stor termisk ledningsevne (22W·m-1·K−1), stor bøjningsstyrke (340-400MPa) og lille termisk udvidelse koefficient (6,6×10−6K−1), og udviser fremragende termokemisk stabilitet og fremragende fysiske egenskaber. Det har god kemisk kompatibilitet og mekanisk kompatibilitet med grafit og C/C kompositmaterialer. Derfor er TaC-belægning i vid udstrækning brugt i rumfarts termisk beskyttelse, enkeltkrystalvækst, energielektronik og medicinsk udstyr.
TaC-belagtgrafit har bedre kemisk korrosionsbestandighed end bar grafit eller SiC-belagt grafit, kan bruges stabilt ved høje temperaturer på 2600° og reagerer ikke med mange metalelementer. Det er den bedste belægning i tredje generation af halvleder-enkeltkrystalvækst og waferætsningsscenarier. Det kan betydeligt forbedre kontrollen af temperatur og urenheder i processen og forberedehøjkvalitets siliciumcarbid wafersog relateretepitaksiale wafers. Den er især velegnet til dyrkning af GaN- eller AlN-enkeltkrystaller med MOCVD-udstyr og dyrkning af SiC-enkeltkrystaller med PVT-udstyr, og kvaliteten af de dyrkede enkeltkrystaller er væsentligt forbedret.
III. Fordele ved tantalcarbidbelagte enheder
Brugen af Tantalcarbide TaC-belægning kan løse problemet med krystalkantdefekter og forbedre kvaliteten af krystalvækst. Det er en af de centrale tekniske retninger for "at vokse hurtigt, vokse sig tykt og blive langt". Industriforskning har også vist, at tantalcarbid-coated grafit-digel kan opnå mere ensartet opvarmning og derved give fremragende proceskontrol for SiC-enkeltkrystalvækst, og dermed reducere sandsynligheden for polykrystallinsk dannelse ved kanten af SiC-krystaller betydeligt. Derudover har tantalcarbid grafitbelægning to store fordele:
(I) Reduktion af SiC-defekter
Med hensyn til at kontrollere SiC-enkeltkrystaldefekter er der normalt tre vigtige måder. Ud over at optimere vækstparametre og kildematerialer af høj kvalitet (såsom SiC-kildepulver) kan brug af tantalcarbidbelagt grafitdigel også opnå god krystalkvalitet.
Skematisk diagram af konventionel grafitdigel (a) og TAC-belagt digel (b)
Ifølge forskning fra University of Eastern Europe i Korea er den største urenhed i SiC-krystalvækst nitrogen, og tantalcarbidbelagte grafitdigler kan effektivt begrænse nitrogeninkorporeringen af SiC-krystaller og derved reducere dannelsen af defekter såsom mikrorør og forbedre krystal. kvalitet. Undersøgelser har vist, at under de samme betingelser er bærerkoncentrationerne af SiC-wafere dyrket i konventionelle grafitdigler og TAC-coatede digler henholdsvis ca. 4,5×1017/cm og 7,6×1015/cm.
Sammenligning af defekter i SiC-enkeltkrystaller dyrket i konventionelle grafitdigler (a) og TAC-coatede digler (b)
(II) Forbedring af levetiden for grafitdigler
I øjeblikket er omkostningerne til SiC-krystaller forblevet høje, hvoraf omkostningerne til grafitforbrugsvarer udgør omkring 30%. Nøglen til at reducere omkostningerne ved grafitforbrugsvarer er at øge dets levetid. Ifølge data fra et britisk forskerhold kan tantalcarbidbelægninger forlænge levetiden af grafitkomponenter med 30-50%. Ifølge denne beregning kan kun udskiftning af den tantalcarbidbelagte grafit reducere prisen på SiC-krystaller med 9%-15%.
4. Tantalcarbid-belægningsfremgangsmåde
Metoder til fremstilling af TaC-belægning kan opdeles i tre kategorier: fastfasemetoden, væskefasemetoden og gasfasemetoden. Fastfasemetoden omfatter hovedsageligt reduktionsmetode og kemisk metode; væskefasemetoden inkluderer smeltet saltmetode, sol-gel-metode (Sol-Gel), opslæmningssintringsmetode, plasmasprøjtemetode; gasfasemetoden omfatter kemisk dampaflejring (CVD), kemisk dampinfiltration (CVI) og fysisk dampaflejring (PVD). Forskellige metoder har deres egne fordele og ulemper. Blandt dem er CVD en relativt moden og udbredt metode til fremstilling af TaC-belægninger. Med den kontinuerlige forbedring af processen er der udviklet nye processer såsom kemisk dampaflejring med varme tråde og ionstråleassisteret kemisk dampaflejring.
TaC-belægningsmodificerede kulstofbaserede materialer omfatter hovedsageligt grafit, kulfiber og kulstof/kulstof-kompositmaterialer. Metoderne til fremstilling af TaC-belægninger på grafit omfatter plasmasprøjtning, CVD, gyllesintring osv.
Fordele ved CVD-metoden: CVD-metoden til fremstilling af TaC-belægninger er baseret på tantalhalogenid (TaX5) som tantalkilde og kulbrinte (CnHm) som kulstofkilde. Under visse betingelser nedbrydes de til henholdsvis Ta og C og reagerer derefter med hinanden for at opnå TaC-belægninger. CVD-metoden kan udføres ved en lavere temperatur, hvilket kan undgå defekter og reducerede mekaniske egenskaber forårsaget af højtemperaturpræparering eller behandling af belægninger i et vist omfang. Sammensætningen og strukturen af belægningen er kontrollerbar, og den har fordelene ved høj renhed, høj densitet og ensartet tykkelse. Endnu vigtigere er det, at sammensætningen og strukturen af TaC-belægninger fremstillet af CVD kan designes og let kontrolleres. Det er en relativt moden og meget brugt metode til fremstilling af højkvalitets TaC-belægninger.
De centrale indflydelsesfaktorer i processen omfatter:
A. Gasstrømningshastighed (tantalkilde, kulbrintegas som kulstofkilde, bæregas, fortyndingsgas Ar2, reducerende gas H2): Ændringen i gasstrømningshastigheden har stor indflydelse på temperaturfeltet, trykfeltet og gasstrømningsfeltet i reaktionskammeret, hvilket resulterer i ændringer i belægningens sammensætning, struktur og ydeevne. Forøgelse af Ar-flowhastigheden vil sænke belægningens væksthastighed og reducere kornstørrelsen, mens det molære masseforhold mellem TaCl5, H2 og C3H6 påvirker belægningssammensætningen. Molforholdet mellem H2 og TaCl5 er (15-20):1, hvilket er mere egnet. Molforholdet mellem TaCl5 og C3H6 er teoretisk tæt på 3:1. Overdreven TaCl5 eller C3H6 vil forårsage dannelsen af Ta2C eller frit kulstof, hvilket påvirker kvaliteten af waferen.
B. Deponeringstemperatur: Jo højere deponeringstemperaturen er, desto hurtigere er deponeringshastigheden, desto større kornstørrelse og desto mere ru belægning. Derudover er temperaturen og hastigheden af kulbrintenedbrydning til C og TaCl5-nedbrydning til Ta forskellige, og Ta og C er mere tilbøjelige til at danne Ta2C. Temperaturen har stor indflydelse på TaC-belægningsmodificerede kulstofmaterialer. Når aflejringstemperaturen stiger, stiger aflejringshastigheden, partikelstørrelsen øges, og partikelformen ændres fra sfærisk til polyedral. Desuden, jo højere aflejringstemperaturen er, jo hurtigere nedbrydning af TaCl5, jo mindre frit C vil være, jo større spænding i belægningen, og der vil let blive dannet revner. Imidlertid vil lav deponeringstemperatur føre til lavere belægningsdeponeringseffektivitet, længere deponeringstid og højere råmaterialeomkostninger.
C. Aflejringstryk: Aflejringstryk er tæt forbundet med materialeoverfladens frie energi og vil påvirke gasopholdstiden i reaktionskammeret og derved påvirke belægningens kernedannelseshastighed og partikelstørrelse. Efterhånden som aflejringstrykket stiger, bliver gasopholdstiden længere, reaktanterne har længere tid til at gennemgå kernedannelsesreaktioner, reaktionshastigheden stiger, partiklerne bliver større, og belægningen bliver tykkere; omvendt, når aflejringstrykket falder, er reaktionsgassens opholdstid kort, reaktionshastigheden sænkes, partiklerne bliver mindre, og belægningen er tyndere, men aflejringstrykket har ringe indflydelse på belægningens krystalstruktur og sammensætning.
V. Udviklingstendens af tantalkarbidbelægning
Den termiske udvidelseskoefficient for TaC (6,6×10−6K−1) er noget anderledes end den for kulstofbaserede materialer såsom grafit, kulfiber og C/C-kompositmaterialer, hvilket gør enfasede TaC-belægninger tilbøjelige til at revne og falder af. For yderligere at forbedre ablations- og oxidationsmodstanden, mekanisk stabilitet ved høje temperaturer og kemisk korrosionsbestandighed ved høje temperaturer af TaC-belægninger, har forskere forsket i belægningssystemer såsom kompositbelægningssystemer, solide opløsningsforbedrede belægningssystemer og gradient belægningssystemer.
Kompositbelægningssystemet skal lukke sprækkerne i en enkelt belægning. Normalt indføres andre belægninger i overfladen eller det indre lag af TaC for at danne et kompositbelægningssystem; det faste opløsningsforstærkende belægningssystem HfC, ZrC osv. har den samme fladecentrerede kubiske struktur som TaC, og de to karbider kan være uendeligt opløselige i hinanden for at danne en fast opløsningsstruktur. Hf(Ta)C-belægningen er revnefri og har god vedhæftning til C/C-kompositmaterialet. Belægningen har fremragende anti-ablationsydelse; gradientbelægningssystemets gradientbelægning refererer til belægningskomponentkoncentrationen langs dens tykkelsesretning. Strukturen kan reducere intern spænding, forbedre uoverensstemmelsen mellem termiske udvidelseskoefficienter og undgå revner.
(II) Tantalcarbid belægning enhed produkter
Ifølge statistikker og prognoser fra QYR (Hengzhou Bozhi) nåede salget på det globale marked for tantalcarbidbelægning i 2021 1,5986 millioner USD (eksklusive Crees egenproducerede og selvforsynende tantalcarbidbelægningsprodukter), og det er stadig i begyndelsen stadier af industriudvikling.
1. Krystalekspansionsringe og smeltedigler, der kræves til krystalvækst: Baseret på 200 krystalvækstovne pr. virksomhed er markedsandelen for TaC-belagte enheder, som kræves af 30 krystalvækstvirksomheder, omkring 4,7 milliarder yuan.
2. TaC-bakker: Hver bakke kan indeholde 3 wafers, hver bakke kan bruges i 1 måned, og der forbruges 1 bakke for hver 100 wafers. 3 millioner wafers kræver 30.000 TaC-bakker, hver bakke er på omkring 20.000 stykker, og der er brug for omkring 600 millioner hvert år.
3. Andre kulstofreduktionsscenarier. Såsom høj temperatur ovn foring, CVD dyse, ovn rør osv., omkring 100 mio.
Indlægstid: Jul-02-2024