Қазіргі уақытта жартылай өткізгіштердің үшінші буыны басымкремний карбиді. Оның құрылғыларының құны құрылымында субстрат 47%, ал эпитаксис 23% құрайды. Екеуі бірге шамамен 70% құрайды, бұл ең маңызды бөлігі болып табыладыкремний карбидіқұрылғы өндірісінің өнеркәсіп тізбегі.
Дайындау үшін жиі қолданылатын әдіскремний карбидімонокристалдар PVT (физикалық бу тасымалдау) әдісі болып табылады. Бұл принцип шикізатты жоғары температуралық аймақта, ал тұқымдық кристалды салыстырмалы түрде төмен температуралық аймақта жасау болып табылады. Шикізат жоғары температурада ыдырайды және сұйық фазасыз газ фазалық заттарды тікелей шығарады. Бұл газ фазалық заттар осьтік температура градиентінің жетегінде тұқымдық кристалға тасымалданады және кремний карбидінің монокристалын қалыптастыру үшін тұқымдық кристалда ядроланып, өседі. Қазіргі уақытта Cree, II-VI, SiCrystal, Dow сияқты шетелдік компаниялар мен Tianyue Advanced, Tianke Heda, Century Golden Core сияқты отандық компаниялар осы әдісті қолданады.
Кремний карбидінің 200-ден астам кристалдық нысандары бар және қажетті монокристалды пішінді (негізгі ағыны 4H кристалды пішін) жасау үшін өте дәл бақылау қажет. Tianyue Advanced проспектісіне сәйкес, 2018-2020 және 2021 жылдың бірінші жартыжылдығында компанияның кристалдық таяқша кірістілігі сәйкесінше 41%, 38,57%, 50,73% және 49,90%, ал субстрат шығымы сәйкесінше 72,61% және 54,7% құрады . Кешенді кірістілік қазір небәрі 37,7 пайызды құрайды. Мысал ретінде негізгі PVT әдісін алатын болсақ, төмен кірістілік негізінен SiC субстратын дайындаудағы келесі қиындықтарға байланысты:
1. Температура өрісін бақылаудағы қиындықтар: SiC кристалды таяқшалары 2500 ℃ жоғары температурада шығарылуы керек, ал кремний кристалдары тек 1500 ℃ қажет, сондықтан арнайы монокристалды пештер қажет және өндіріс кезінде өсу температурасын дәл бақылау қажет. , бұл бақылау өте қиын.
2. Баяу өндіру жылдамдығы: дәстүрлі кремний материалдарының өсу қарқыны сағатына 300 мм, бірақ кремний карбидінің монокристалдары сағатына 400 микрон ғана өсе алады, бұл айырмашылық шамамен 800 есе.
3. Өнімнің жақсы параметрлеріне қойылатын жоғары талаптар және қара жәшік шығымдылығын уақытында бақылау қиын: SiC пластинкаларының негізгі параметрлеріне микротүтіктердің тығыздығы, дислокацияның тығыздығы, кедергісі, деформациясы, бетінің кедір-бұдырлығы және т.б. жатады. Кристалл өсу процесі кезінде ол кремний-көміртек қатынасы, өсу температурасының градиенті, кристалдың өсу жылдамдығы және ауа ағынының қысымы сияқты параметрлерді дәл бақылау үшін қажет. Әйтпесе, полиморфты қосындылар пайда болуы мүмкін, нәтижесінде сапасыз кристалдар пайда болады. Графит тигелінің қара жәшігінде кристалдың өсу күйін нақты уақытта бақылау мүмкін емес, сонымен қатар өте дәл жылу өрісін бақылау, материалды сәйкестендіру және тәжірибе жинақтау қажет.
4. Кристаллдың кеңеюінің қиындығы: Газ фазасының тасымалдау әдісі кезінде SiC кристалының өсуін кеңейту технологиясы өте қиын. Кристалл өлшемі ұлғайған сайын оның өсу қиындығы экспоненциалды түрде артады.
5. Жалпы төмен кірістілік: Төмен кірістілік негізінен екі буыннан тұрады: (1) Кристалл шыбықтың шығымы = жартылай өткізгіштегі кристалды өзекшенің шығысы/(жартылай өткізгіштегі кристалды өзекшенің шығысы + жартылай өткізгішті емес кристалды өзекшенің шығысы) × 100%; (2) Субстрат шығымы = білікті субстрат шығысы/(білікті субстрат шығысы + білікті емес субстрат шығысы) × 100%.
Жоғары сапалы және жоғары өнімді дайындаудакремний карбиді субстраттары, ядроға өндіріс температурасын дәл бақылау үшін жақсырақ жылу өрісі материалдары қажет. Қазіргі уақытта қолданылатын жылу өрісінің тигель жинақтары негізінен көміртегі ұнтағы мен кремний ұнтағын қыздыру және балқыту және жылыту үшін пайдаланылатын жоғары таза графит құрылымдық бөліктері болып табылады. Графит материалдары жоғары меншікті беріктік пен меншікті модуль, жақсы термиялық соққыға төзімділік және коррозияға төзімділік сипаттамаларына ие, бірақ олардың кемшіліктері жоғары температуралы оттегі орталарында оңай тотығады, аммиакқа төзімді емес, сызаттарға төзімділігі нашар. Кремний карбидінің монокристалды өсу процесінде жәнекремний карбиді эпитаксиалды пластинкаӨндіріс үшін адамдардың графиттік материалдарды қолдану жөніндегі қатаң талаптарын қанағаттандыру қиын, бұл оның дамуы мен практикалық қолданылуын айтарлықтай шектейді. Сондықтан тантал карбиді сияқты жоғары температуралы жабындар пайда бола бастады.
2. СипаттамаларыТантал карбиді жабыны
TaC керамикасының балқу температурасы 3880 ℃ дейін, қаттылығы жоғары (Mohs қаттылығы 9-10), үлкен жылу өткізгіштік (22W·m-1·K−1), үлкен иілу беріктігі (340-400МПа) және шағын термиялық кеңею. коэффициенті (6,6×10−6K−1) және тамаша термохимиялық тұрақтылық пен тамаша физикалық қасиеттерді көрсетеді. Оның жақсы химиялық үйлесімділігі және графит және C/C композиттік материалдармен механикалық үйлесімділігі бар. Сондықтан, TaC жабыны аэроғарыштық термиялық қорғаныста, монокристалды өсуде, энергетикалық электроникада және медициналық жабдықтарда кеңінен қолданылады.
TaC қапталғанграфит жалаңаш графитке немесе SiC қапталған графитке қарағанда химиялық коррозияға жақсы төзімділікке ие, 2600° жоғары температурада тұрақты пайдалануға болады және көптеген металл элементтерімен әрекеттеспейді. Бұл үшінші буындағы жартылай өткізгіш монокристалды өсу және вафельді оюлау сценарийлеріндегі ең жақсы жабын. Ол процесте температура мен қоспаларды бақылауды айтарлықтай жақсарта алады және дайындайдыжоғары сапалы кремний карбидті пластиналаржәне байланыстыэпитаксиалды пластиналар. Ол әсіресе MOCVD жабдығымен GaN немесе AlN монокристалдарын өсіруге және PVT жабдығымен SiC монокристалдарын өсіруге қолайлы және өсірілген монокристалдардың сапасы айтарлықтай жақсарады.
III. Тантал карбидімен қапталған құрылғылардың артықшылықтары
Тантал карбиді TaC жабынын пайдалану кристалл жиектерінің ақаулары мәселесін шеше алады және кристалдардың өсу сапасын жақсартады. Бұл «тез өсу, қалың өсу және ұзақ өсіру» негізгі техникалық бағыттарының бірі. Өнеркәсіптік зерттеулер сонымен қатар тантал карбидімен қапталған графит тигелі біркелкі қыздыруға қол жеткізе алатынын көрсетті, осылайша SiC монокристалының өсуі үшін тамаша процесті бақылауды қамтамасыз етеді, осылайша SiC кристалдарының шетінде поликристалды түзілу ықтималдығын айтарлықтай төмендетеді. Сонымен қатар, тантал карбидті графитті жабынның екі негізгі артықшылығы бар:
(I) SiC ақауларын азайту
SiC монокристалдық ақауларын бақылау тұрғысынан әдетте үш маңызды әдіс бар. Өсу параметрлерін және жоғары сапалы бастапқы материалдарды (мысалы, SiC бастапқы ұнтағы) оңтайландырудан басқа, тантал карбидімен қапталған графит тигельді пайдалану жақсы кристалдық сапаға қол жеткізе алады.
Кәдімгі графит тигельдің схемалық диаграммасы (a) және TAC жабыны бар тигель (b)
Кореядағы Шығыс Еуропа университетінің зерттеулеріне сәйкес, SiC кристалының өсуіндегі негізгі қоспа азот болып табылады және тантал карбидімен қапталған графит тигельдері SiC кристалдарының азоттың қосылуын тиімді шектей алады, осылайша микроқұбырлар сияқты ақаулардың пайда болуын азайтады және кристалды жақсартады. сапасы. Зерттеулер бірдей жағдайларда кәдімгі графитті тигельдерде және TAC қапталған тигельдерде өсірілген SiC пластинкаларының тасымалдаушы концентрациялары сәйкесінше шамамен 4,5×1017/см және 7,6×1015/см болатынын зерттеулер көрсетті.
Кәдімгі графит тигельдерінде (a) және TAC қапталған тигельдерде (b) өсірілген SiC монокристалдарындағы ақауларды салыстыру
(II) Графитті тигельдердің қызмет ету мерзімін жақсарту
Қазіргі уақытта SiC кристалдарының құны жоғары болып қалды, оның ішінде графиттік шығын материалдарының құны шамамен 30% құрайды. Графиттік шығын материалдарының құнын төмендетудің кілті оның қызмет ету мерзімін арттыру болып табылады. Британдық зерттеу тобының деректеріне сәйкес, тантал карбиді жабындары графит компоненттерінің қызмет ету мерзімін 30-50% ұзарта алады. Бұл есептеуге сәйкес, тек тантал карбидімен қапталған графитті ауыстыру SiC кристалдарының құнын 9%-15% төмендетуі мүмкін.
4. Тантал карбиді жабынын дайындау процесі
TaC жабындарын дайындау әдістерін үш санатқа бөлуге болады: қатты фаза әдісі, сұйық фаза әдісі және газ фазасы әдісі. Қатты фазалық әдіс негізінен қалпына келтіру әдісін және химиялық әдісті қамтиды; сұйық фазалық әдіске балқытылған тұз әдісі, золь-гель әдісі (Sol-Gel), суспензия-агломерация әдісі, плазмалық бүрку әдісі; газ фазалық әдіс химиялық бу тұндыру (CVD), химиялық бу инфильтрация (CVI) және физикалық бу тұндыру (PVD) қамтиды. Әртүрлі әдістердің өз артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Олардың ішінде CVD салыстырмалы түрде жетілген және TaC жабындарын дайындау үшін кеңінен қолданылатын әдіс болып табылады. Процестің үздіксіз жетілдірілуімен ыстық сымды химиялық бу тұндыру және ион сәулесінің көмегімен химиялық бу тұндыру сияқты жаңа процестер әзірленді.
TaC жабыны модификацияланған көміртегі негізіндегі материалдарға негізінен графит, көміртекті талшық және көміртекті/көміртекті композициялық материалдар кіреді. Графитке TaC жабындарын дайындау әдістеріне плазмалық бүрку, CVD, шламды агломерация және т.б.
CVD әдісінің артықшылықтары: TaC жабындарын дайындауға арналған CVD әдісі тантал көзі ретінде галоген танталға (TaX5) және көміртек көзі ретінде көмірсутекке (CnHm) негізделген. Белгілі бір жағдайларда олар тиісінше Ta және C-ге ыдырайды, содан кейін TaC жабындарын алу үшін бір-бірімен әрекеттеседі. CVD әдісін төменгі температурада жүргізуге болады, бұл ақауларды және белгілі бір дәрежеде жабындарды жоғары температурада дайындау немесе өңдеуден туындаған механикалық қасиеттердің төмендеуін болдырмайды. Қаптаманың құрамы мен құрылымы басқарылады және оның жоғары тазалығы, жоғары тығыздығы және біркелкі қалыңдығының артықшылықтары бар. Ең бастысы, CVD дайындаған TaC жабындарының құрамы мен құрылымын жобалауға және оңай басқаруға болады. Бұл жоғары сапалы TaC жабындарын дайындау үшін салыстырмалы түрде жетілген және кеңінен қолданылатын әдіс.
Процеске әсер ететін негізгі факторларға мыналар жатады:
A. Газ шығынының жылдамдығы (тантал көзі, көмірсутек газы көміртегі көзі ретінде, тасымалдаушы газ, сұйылту газы Ar2, тотықсыздандырғыш газ Н2): Газ шығынының өзгеруі температура өрісіне, қысым өрісіне және газ ағынының өрісіне үлкен әсер етеді. реакция камерасы, нәтижесінде жабынның құрамы, құрылымы және өнімділігі өзгереді. Ar ағынының жылдамдығын арттыру жабынның өсу қарқынын бәсеңдетеді және түйір өлшемін азайтады, ал TaCl5, H2 және C3H6 молярлық массалық қатынасы жабын құрамына әсер етеді. H2 және TaCl5 молярлық қатынасы (15-20):1, бұл қолайлырақ. TaCl5 және C3H6 молярлық қатынасы теориялық тұрғыдан 3:1-ге жақын. Шамадан тыс TaCl5 немесе C3H6 пластинаның сапасына әсер ететін Ta2C немесе бос көміртектің пайда болуына әкеледі.
B. Тұндыру температурасы: Тұндыру температурасы неғұрлым жоғары болса, тұндыру жылдамдығы соғұрлым жылдамырақ, дән өлшемі соғұрлым үлкен болады және жабын соғұрлым өрескел болады. Сонымен қатар көмірсутектердің С-ға ыдырауының температурасы мен жылдамдығы және TaCl5-тің Ta-ға ыдырауы әртүрлі, ал Ta және C Ta2C түзу ықтималдығы жоғары. Температура TaC жабыны модификацияланған көміртекті материалдарға үлкен әсер етеді. Тұндыру температурасы жоғарылаған сайын тұндыру жылдамдығы артады, бөлшектердің өлшемі ұлғаяды және бөлшектердің пішіні сфералықтан көп қырлыға өзгереді. Сонымен қатар, тұндыру температурасы неғұрлым жоғары болса, TaCl5 соғұрлым тез ыдырауы, соғұрлым бос С аз болады, жабудағы кернеу соғұрлым жоғары болады және жарықтар оңай пайда болады. Дегенмен, төмен тұндыру температурасы жабынды тұндыру тиімділігінің төмендеуіне, тұндыру уақытының ұзағырақ болуына және шикізат құнының жоғарылауына әкеледі.
C. Тұндыру қысымы: Тұндыру қысымы материал бетінің бос энергиясымен тығыз байланысты және газдың реакция камерасында тұру уақытына әсер етеді, осылайша жабынның ядролану жылдамдығына және бөлшектердің өлшеміне әсер етеді. Тұндыру қысымы жоғарылаған сайын газдың тұру уақыты ұзарады, әрекеттесуші заттардың нуклеация реакцияларына түсу уақыты көбірек болады, реакция жылдамдығы артады, бөлшектер ұлғаяды, жабын қалыңдайды; керісінше, тұндыру қысымы төмендеген сайын, реакция газының тұру уақыты қысқа, реакция жылдамдығы баяулайды, бөлшектер кішірейеді және жабын жұқа болады, бірақ тұндыру қысымы кристалдық құрылым мен жабынның құрамына аз әсер етеді.
V. Тантал карбиді жабынының даму тенденциясы
TaC (6,6×10−6K−1) термиялық кеңею коэффициенті графит, көміртекті талшық және C/C композиттік материалдар сияқты көміртегі негізіндегі материалдардан біршама ерекшеленеді, бұл бір фазалы TaC жабындарын крекингке бейім етеді және құлау. ТаС жабындарының абляцияға және тотығуға төзімділігін, жоғары температурадағы механикалық тұрақтылығын және жоғары температурадағы химиялық коррозияға төзімділігін одан әрі жақсарту үшін зерттеушілер композиттік жабын жүйелері, қатты ерітінділермен күшейтілген жабын жүйелері және градиент сияқты жабын жүйелері бойынша зерттеулер жүргізді. жабу жүйелері.
Композиттік жабын жүйесі бір жабынның жарықтарын жабу болып табылады. Әдетте композиттік жабын жүйесін қалыптастыру үшін TaC бетіне немесе ішкі қабатына басқа жабындар енгізіледі; қатты ерітіндіні күшейтетін жабын жүйесі HfC, ZrC және т.б. TaC сияқты бетке бағытталған текше құрылымы бар және екі карбид қатты ерітінді құрылымын қалыптастыру үшін бір-біріне шексіз ери алады. Hf(Ta)C жабыны жарықтарсыз және C/C композиттік материалға жақсы адгезияға ие. Қаптама абляцияға қарсы тамаша өнімділікке ие; градиенттік жабын жүйесінің градиентті жабыны оның қалыңдығы бағыты бойынша жабын құрамдас бөлігінің концентрациясын білдіреді. Құрылым ішкі кернеуді азайта алады, термиялық кеңею коэффициенттерінің сәйкессіздігін жақсартады және жарықшақтарды болдырмайды.
(II) Тантал карбидінен қаптау құрылғысының өнімдері
QYR (Хенчжоу Божи) статистикасы мен болжамдарына сәйкес, 2021 жылы тантал карбидінің жаһандық жабын нарығының сатылымы 1,5986 миллион АҚШ долларына жетті (Кридің өздігінен өндіретін және өздігінен жеткізілетін тантал карбиді қаптау құрылғысының өнімдерін қоспағанда) және ол әлі де ерте. саланың даму кезеңдері.
1. Кристаллдың өсуіне қажетті кристалды кеңейту сақиналары мен тигельдер: Кәсіпорынға 200 кристалды өсіретін пештердің негізінде, кристалды өсіретін 30 компания талап ететін TaC қапталған құрылғылардың нарықтағы үлесі шамамен 4,7 миллиард юаньды құрайды.
2. TaC науалары: Әрбір науаға 3 вафельді тасымалдауға болады, әрбір науаны 1 ай бойы пайдалануға болады және әрбір 100 вафлиге 1 науа жұмсалады. 3 миллион пластинаға 30 000 TaC науасы қажет, әрбір науаға шамамен 20 000 дана және жыл сайын шамамен 600 миллион қажет.
3. Көміртекті азайтудың басқа сценарийлері. Жоғары температуралы пештің төсемі, CVD саптамасы, пеш құбырлары және т.б., шамамен 100 млн.
Жіберу уақыты: 02 шілде 2024 ж