Hazırda üçüncü nəsil yarımkeçiricilər üstünlük təşkil edirsilisium karbid. Cihazlarının maya dəyəri strukturunda substrat 47%, epitaksiya isə 23% təşkil edir. İkisi birlikdə təxminən 70% təşkil edir ki, bu da ən vacib hissəsidirsilisium karbidcihaz istehsalı sənaye zənciri.
Hazırlanması üçün ən çox istifadə olunan üsulsilisium karbidmonokristallar PVT (fiziki buxar nəqli) üsuludur. Prinsip xammalın yüksək temperatur zonasında, toxum kristalını isə nisbətən aşağı temperatur zonasında hazırlamaqdır. Daha yüksək temperaturda xammal parçalanır və birbaşa maye fazı olmayan qaz fazalı maddələr yaradır. Bu qaz fazası maddələri eksenel temperatur qradiyenti altında toxum kristalına nəql edilir və nüvələşir və silisium karbid monokristalını yaratmaq üçün toxum kristalında böyüyür. Hazırda Cree, II-VI, SiCrystal, Dow kimi xarici şirkətlər və Tianyue Advanced, Tianke Heda, Century Golden Core kimi yerli şirkətlərin hamısı bu üsuldan istifadə edir.
Silikon karbidin 200-dən çox kristal forması var və tələb olunan tək kristal formanı yaratmaq üçün çox dəqiq nəzarət tələb olunur (əsas cərəyan 4H kristal formasıdır). Tianyue Advanced-in prospektinə görə, 2018-2020-ci illərdə və 2021-ci ilin birinci yarısında şirkətin kristal çubuq gəlirləri müvafiq olaraq 41%, 38.57%, 50.73% və 49.90%, substrat məhsuldarlığı isə müvafiq olaraq 72.61% və 54.7%54.7% təşkil edib . Kompleks gəlirlilik hazırda cəmi 37,7% təşkil edir. Əsas PVT metodunu nümunə götürsək, aşağı məhsuldarlıq əsasən SiC substratının hazırlanmasında aşağıdakı çətinliklərlə bağlıdır:
1. Temperatur sahəsinə nəzarətdə çətinlik: SiC kristal çubuqları 2500 ℃ yüksək temperaturda istehsal edilməlidir, silikon kristalları isə yalnız 1500 ℃ tələb edir, buna görə də xüsusi monokristal sobalar tələb olunur və istehsal zamanı böyümə temperaturu dəqiq şəkildə idarə edilməlidir. , buna nəzarət etmək olduqca çətindir.
2. Yavaş istehsal sürəti: Ənənəvi silisium materiallarının böyümə sürəti saatda 300 mm-dir, lakin silikon karbid tək kristalları saatda yalnız 400 mikron böyüyə bilər, bu fərq təxminən 800 dəfədir.
3. Yaxşı məhsul parametrlərinə yüksək tələblər və qara qutunun məhsuldarlığına vaxtında nəzarət etmək çətindir: SiC vaflilərinin əsas parametrlərinə mikrotube sıxlığı, dislokasiya sıxlığı, müqavimət, əyilmə, səth pürüzlülüyü və s. daxildir. Kristalın böyüməsi prosesi zamanı silisium-karbon nisbəti, böyümə temperaturu qradiyenti, kristal böyümə sürəti və hava axını təzyiqi kimi parametrlərə dəqiq nəzarət etmək üçün lazımdır. Əks halda, polimorfik daxilolmalar baş verə bilər və nəticədə keyfiyyətsiz kristallar yaranır. Qrafit potasının qara qutusunda kristalın böyümə vəziyyətini real vaxtda müşahidə etmək mümkün deyil və çox dəqiq istilik sahəsinə nəzarət, material uyğunluğu və təcrübə toplanması tələb olunur.
4. Kristal genişlənməsində çətinlik: Qaz fazasının nəqli metodu altında SiC kristalının böyüməsinin genişləndirilməsi texnologiyası olduqca çətindir. Kristal ölçüsü artdıqca, böyümənin çətinliyi eksponent olaraq artır.
5. Ümumiyyətlə aşağı məhsuldarlıq: Aşağı məhsuldarlıq əsasən iki keçiddən ibarətdir: (1) Kristal çubuq məhsuldarlığı = yarımkeçirici dərəcəli kristal çubuq çıxışı/(yarımkeçirici dərəcəli kristal çubuq çıxışı + yarımkeçirici olmayan dərəcəli kristal çubuq çıxışı) × 100%; (2) Substrat məhsuldarlığı = keyfiyyətli substrat çıxışı/(ixtisaslı substrat çıxışı + keyfiyyətsiz substrat çıxışı) × 100%.
Keyfiyyətli və yüksək məhsuldarlığın hazırlanmasındasilisium karbid substratları, istehsal temperaturunu dəqiq idarə etmək üçün nüvənin daha yaxşı istilik sahəsi materiallarına ehtiyacı var. Hal-hazırda istifadə olunan termal sahə pota dəstləri əsasən karbon tozunu və silikon tozunu qızdırmaq və əritmək və isti saxlamaq üçün istifadə olunan yüksək təmizlikli qrafit struktur hissələridir. Qrafit materialları yüksək xüsusi möhkəmlik və xüsusi modul, yaxşı termal zərbə müqaviməti və korroziyaya davamlılıq xüsusiyyətlərinə malikdir, lakin onların mənfi cəhətləri yüksək temperaturlu oksigen mühitlərində asanlıqla oksidləşir, ammonyaklara davamlı deyil və zəif cızıqlara davamlıdır. Silisium karbid tək kristal artım prosesində vəsilisium karbid epitaksial vafliistehsal, qrafit materiallarının istifadəsi üçün insanların getdikcə daha sərt tələblərinə cavab vermək çətindir, bu da onun inkişafını və praktik tətbiqini ciddi şəkildə məhdudlaşdırır. Buna görə də, tantal karbid kimi yüksək temperaturlu örtüklər ortaya çıxmağa başladı.
2. XüsusiyyətləriTantal karbid örtüyü
TaC keramika 3880 ℃-ə qədər ərimə nöqtəsinə, yüksək sərtliyə (Mohs sərtliyi 9-10), böyük istilik keçiriciliyinə (22W · m-1 · K-1), böyük əyilmə gücünə (340-400 MPa) və kiçik istilik genişlənməsinə malikdir. əmsalı (6.6×10−6K−1) və əla termokimyəvi dayanıqlıq və əla fiziki xüsusiyyətlər nümayiş etdirir. Qrafit və C/C kompozit materiallarla yaxşı kimyəvi uyğunluğa və mexaniki uyğunluğa malikdir. Buna görə də, TaC örtüyü aerokosmik istilik mühafizəsi, tək kristal böyüməsi, enerji elektronikası və tibbi avadanlıqlarda geniş istifadə olunur.
TaC örtüklüqrafit çılpaq qrafitdən və ya SiC ilə örtülmüş qrafitdən daha yaxşı kimyəvi korroziyaya davamlıdır, 2600 ° yüksək temperaturda sabit şəkildə istifadə edilə bilər və bir çox metal elementləri ilə reaksiya vermir. Bu, üçüncü nəsil yarımkeçirici monokristal böyüməsi və vafli aşındırma ssenarilərində ən yaxşı örtükdür. Bu prosesdə temperaturun və çirklərin nəzarətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra və hazırlaya biləryüksək keyfiyyətli silisium karbid vaflilərivə əlaqəliepitaksial vaflilər. Xüsusilə MOCVD avadanlığı ilə GaN və ya AlN tək kristallarının yetişdirilməsi və PVT avadanlığı ilə SiC tək kristallarının yetişdirilməsi üçün uyğundur və yetişdirilən tək kristalların keyfiyyəti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırılır.
III. Tantal karbid örtüklü cihazların üstünlükləri
Tantal Carbide TaC örtüyünün istifadəsi kristal kənar qüsurları problemini həll edə və kristal böyümənin keyfiyyətini yaxşılaşdıra bilər. Bu, "sürətlə böyüyən, qalınlaşan və uzanan" əsas texniki istiqamətlərdən biridir. Sənaye tədqiqatları da göstərdi ki, Tantal Karbidlə örtülmüş qrafit pota daha vahid istiləşməyə nail ola bilər, bununla da SiC tək kristalının böyüməsi üçün əla proses nəzarətini təmin edir və beləliklə, SiC kristallarının kənarında polikristal əmələ gəlməsi ehtimalını əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. Bundan əlavə, Tantal Karbid Qrafit Kaplamanın iki əsas üstünlüyü var:
(I) SiC Qüsurlarının Azaldılması
SiC monokristal qüsurlarına nəzarət etmək baxımından adətən üç mühüm yol var. Böyümə parametrlərini və yüksək keyfiyyətli mənbə materiallarını (məsələn, SiC mənbə tozu kimi) optimallaşdırmaqla yanaşı, Tantal Carbide Coated Graphite Crucible istifadə edərək yaxşı kristal keyfiyyətinə nail ola bilərsiniz.
Adi qrafit tiçənin sxematik diaqramı (a) və TAC ilə örtülmüş tige (b)
Koreyadakı Şərqi Avropa Universitetinin araşdırmasına görə, SiC kristallarının böyüməsindəki əsas çirk azotdur və tantal karbidlə örtülmüş qrafit tigeləri SiC kristallarının azot birləşməsini effektiv şəkildə məhdudlaşdıra bilər, bununla da mikroborular kimi qüsurların əmələ gəlməsini azaldır və kristalı yaxşılaşdırır. keyfiyyət. Tədqiqatlar göstərdi ki, eyni şəraitdə adi qrafit tigelərdə və TAC örtüklü tigelərdə yetişdirilən SiC vaflilərinin daşıyıcı konsentrasiyaları müvafiq olaraq təxminən 4,5×1017/sm və 7,6×1015/sm təşkil edir.
Adi qrafit tigelərdə (a) və TAC ilə örtülmüş tigelərdə (b) yetişdirilən SiC monokristallarında qüsurların müqayisəsi
(II) Qrafit tigelərin ömrünün yaxşılaşdırılması
Hal-hazırda, SiC kristallarının qiyməti yüksək olaraq qalır, bunun da qrafit istehlak materiallarının dəyəri təxminən 30% -ni təşkil edir. Qrafit istehlak materiallarının maya dəyərinin azaldılması üçün əsas onun xidmət müddətini artırmaqdır. İngilis tədqiqat qrupunun məlumatlarına görə, tantal karbid örtükləri qrafit komponentlərinin xidmət müddətini 30-50% artıra bilər. Bu hesablamaya görə, yalnız tantal karbidlə örtülmüş qrafitin dəyişdirilməsi SiC kristallarının qiymətini 9%-15% azalda bilər.
4. Tantal karbid örtüyünün hazırlanması prosesi
TaC örtüyünün hazırlanması üsulları üç kateqoriyaya bölünə bilər: bərk faza üsulu, maye faza üsulu və qaz faza üsulu. Bərk faza üsuluna əsasən reduksiya metodu və kimyəvi üsul daxildir; maye faza üsuluna əridilmiş duz üsulu, sol-gel üsulu (Sol-Gel), şlam-sinterləmə üsulu, plazma çiləmə üsulu daxildir; qaz faza üsuluna kimyəvi buxar çökmə (CVD), kimyəvi buxar infiltrasiya (CVI) və fiziki buxar çökmə (PVD) daxildir. Fərqli üsulların öz üstünlükləri və mənfi cəhətləri var. Onların arasında CVD TaC örtüklərinin hazırlanması üçün nisbətən yetkin və geniş istifadə olunan bir üsuldur. Prosesin davamlı təkmilləşdirilməsi ilə isti tel kimyəvi buxar çökdürmə və ion şüası ilə kimyəvi buxar çökmə kimi yeni proseslər inkişaf etdirildi.
TaC örtüyü dəyişdirilmiş karbon əsaslı materiallara əsasən qrafit, karbon lifi və karbon/karbon kompozit materialları daxildir. Qrafit üzərində TaC örtüklərinin hazırlanması üsullarına plazma çiləmə, CVD, məhlul sinterləmə və s.
CVD metodunun üstünlükləri: TaC örtüklərinin hazırlanması üçün CVD üsulu tantal mənbəyi kimi tantal halidinə (TaX5) və karbon mənbəyi kimi karbohidrogenə (CnHm) əsaslanır. Müəyyən şəraitdə onlar müvafiq olaraq Ta və C-yə parçalanır və sonra TaC örtükləri əldə etmək üçün bir-biri ilə reaksiyaya girirlər. CVD üsulu daha aşağı temperaturda həyata keçirilə bilər ki, bu da müəyyən dərəcədə örtüklərin yüksək temperaturda hazırlanması və ya işlənməsi nəticəsində yaranan qüsurların və mexaniki xüsusiyyətlərin azalmasının qarşısını ala bilər. Kaplamanın tərkibi və quruluşu idarə edilə bilər və yüksək təmizlik, yüksək sıxlıq və vahid qalınlıq üstünlüklərinə malikdir. Daha da əhəmiyyətlisi, CVD tərəfindən hazırlanan TaC örtüklərinin tərkibi və quruluşu dizayn edilə və asanlıqla idarə edilə bilər. Yüksək keyfiyyətli TaC örtüklərinin hazırlanması üçün nisbətən yetkin və geniş istifadə olunan üsuldur.
Prosesə təsir edən əsas amillərə aşağıdakılar daxildir:
A. Qaz axını sürəti (tantal mənbəyi, karbon mənbəyi kimi karbohidrogen qazı, daşıyıcı qaz, seyreltmə qazı Ar2, azaldıcı qaz H2): Qaz axını sürətinin dəyişməsi temperatur sahəsinə, təzyiq sahəsinə və qaz axını sahəsinə böyük təsir göstərir. reaksiya kamerası, nəticədə örtükün tərkibində, strukturunda və performansında dəyişikliklər baş verir. Ar axını sürətinin artırılması örtünün böyümə sürətini yavaşlatacaq və taxıl ölçüsünü azaldacaq, TaCl5, H2 və C3H6-nın molar kütlə nisbəti örtük tərkibinə təsir göstərir. H2-nin TaCl5-ə molar nisbəti (15-20):1-dir, bu daha uyğundur. TaCl5-in C3H6-ya molar nisbəti nəzəri olaraq 3:1-ə yaxındır. Həddindən artıq TaCl5 və ya C3H6, vaflinin keyfiyyətinə təsir edən Ta2C və ya sərbəst karbonun əmələ gəlməsinə səbəb olacaq.
B. Çöküntü temperaturu: Çökmə temperaturu nə qədər yüksək olarsa, çökmə sürəti bir o qədər tez olur, taxıl ölçüsü bir o qədər böyükdür və örtük daha kobud olur. Bundan əlavə, karbohidrogenlərin C-yə və TaCl5-in Ta-ya parçalanmasının temperaturu və sürəti fərqlidir və Ta və C-nin Ta2C əmələ gəlməsi ehtimalı daha yüksəkdir. Temperatur TaC örtüyünün dəyişdirilmiş karbon materiallarına böyük təsir göstərir. Çökmə temperaturu artdıqca çökmə sürəti artır, hissəcik ölçüsü artır və hissəciklərin forması sferikdən çoxüzlüyə dəyişir. Bundan əlavə, çökmə temperaturu nə qədər yüksək olarsa, TaCl5-in daha sürətli parçalanması, daha az sərbəst C olacaq, örtükdə gərginlik bir o qədər çox olacaq və çatlar asanlıqla əmələ gələcək. Bununla belə, aşağı çökmə temperaturu örtünün çökmə səmərəliliyinin aşağı düşməsinə, daha uzun çöküntü müddətinə və daha yüksək xammal xərclərinə səbəb olacaqdır.
C. Çöküntü təzyiqi: Çöküntü təzyiqi material səthinin sərbəst enerjisi ilə sıx bağlıdır və reaksiya kamerasında qazın qalma müddətinə təsir edəcək, bununla da örtünün nüvələşmə sürətinə və hissəcik ölçüsünə təsir edəcəkdir. Çöküntü təzyiqi artdıqca, qazın qalma müddəti uzanır, reaktivlərin nüvələşmə reaksiyalarına daha çox vaxtı olur, reaksiya sürəti artır, hissəciklər böyüyür və örtük qalınlaşır; əksinə, çökmə təzyiqi azaldıqca, reaksiya qazının qalma müddəti qısa olur, reaksiya sürəti yavaşlayır, hissəciklər kiçilir və örtük daha incə olur, lakin çökmə təzyiqi örtünün kristal quruluşuna və tərkibinə az təsir göstərir.
V. Tantal karbid örtüyünün inkişaf tendensiyası
TaC-nin istilik genişlənmə əmsalı (6.6×10−6K−1) qrafit, karbon lifi və C/C kompozit materiallar kimi karbon əsaslı materiallardan bir qədər fərqlidir ki, bu da birfazalı TaC örtüklərini krekinq və çatlamağa meylli edir. düşmək. TaC örtüklərinin ablasyon və oksidləşmə müqavimətini, yüksək temperaturda mexaniki dayanıqlığını və yüksək temperaturda kimyəvi korroziyaya davamlılığını daha da yaxşılaşdırmaq üçün tədqiqatçılar kompozit örtük sistemləri, bərk məhlulla gücləndirilmiş örtük sistemləri və gradient kimi örtük sistemləri üzərində tədqiqatlar aparmışlar. örtük sistemləri.
Kompozit örtük sistemi tək bir örtünün çatlarını bağlamaq üçündür. Bir qayda olaraq, kompozit örtük sistemi yaratmaq üçün TaC-nin səthinə və ya daxili təbəqəsinə digər örtüklər daxil edilir; bərk məhlul gücləndirici örtük sistemi HfC, ZrC və s. TaC ilə eyni üz mərkəzli kub quruluşuna malikdir və bərk məhlul strukturu yaratmaq üçün iki karbid bir-birində sonsuz həll oluna bilər. Hf(Ta)C örtüyü çatsızdır və C/C kompozit materialına yaxşı yapışır. Kaplama əla anti-ablation performansına malikdir; gradient örtük sistemi gradient örtüyü onun qalınlığı istiqamətində örtük komponentinin konsentrasiyasına aiddir. Quruluş daxili gərginliyi azalda, istilik genişlənmə əmsallarının uyğunsuzluğunu yaxşılaşdıra və çatlardan qaça bilər.
(II) Tantal karbid örtük cihazı məhsulları
QYR (Hengzhou Bozhi) statistikasına və proqnozlarına görə, 2021-ci ildə qlobal tantal karbid örtük bazarı satışları 1.5986 milyon ABŞ dollarına çatdı (Cree-nin özü istehsal etdiyi və özünü təmin edən tantal karbid örtük cihazı məhsulları istisna olmaqla) və hələ də erkən mərhələdədir. sənayenin inkişaf mərhələləri.
1. Kristal böyüməsi üçün tələb olunan kristal genişləndirici üzüklər və krozelər: Müəssisə başına 200 kristal böyümə sobasına əsaslanaraq, 30 kristal böyümə şirkəti tərəfindən tələb olunan TaC örtüklü cihazların bazar payı təxminən 4,7 milyard yuan təşkil edir.
2. TaC qabları: Hər nimçə 3 vafli daşıya bilər, hər nimçə 1 ay istifadə edilə bilər və hər 100 vafli üçün 1 nimçə istehlak olunur. 3 milyon vafli üçün 30.000 TaC qab tələb olunur, hər bir qab təxminən 20.000 ədəddir və hər il təxminən 600 milyona ehtiyac var.
3. Karbonun azaldılmasının digər ssenariləri. Belə ki, yüksək temperaturlu soba astarları, CVD nozzle, soba boruları və s., təxminən 100 mln.
Göndərmə vaxtı: 02 iyul 2024-cü il