Sa kasalukuyan, ang ikatlong henerasyon ng mga semiconductor ay pinangungunahan ngsilikon karbid. Sa istraktura ng gastos ng mga aparato nito, ang substrate ay nagkakahalaga ng 47%, at ang epitaxy ay nagkakahalaga ng 23%. Ang dalawang magkasama ay nagkakahalaga ng halos 70%, na siyang pinakamahalagang bahagi ngsilikon karbidchain ng industriya ng paggawa ng device.
Ang karaniwang ginagamit na paraan para sa paghahandasilikon karbidAng mga solong kristal ay ang paraan ng PVT (physical vapor transport). Ang prinsipyo ay upang gawin ang mga hilaw na materyales sa isang mataas na temperatura zone at ang buto kristal sa isang medyo mababang temperatura zone. Ang mga hilaw na materyales sa mas mataas na temperatura ay nabubulok at direktang gumagawa ng mga sangkap na bahagi ng gas na walang likidong bahagi. Ang mga sangkap na ito ng gas phase ay dinadala sa seed crystal sa ilalim ng drive ng axial temperature gradient, at nag-nucleate at lumalaki sa seed crystal upang bumuo ng isang silicon carbide na solong kristal. Sa kasalukuyan, ang mga dayuhang kumpanya tulad ng Cree, II-VI, SiCrystal, Dow at mga domestic na kumpanya tulad ng Tianyue Advanced, Tianke Heda, at Century Golden Core ay lahat ay gumagamit ng pamamaraang ito.
Mayroong higit sa 200 mga kristal na anyo ng silicon carbide, at napaka-tumpak na kontrol ay kinakailangan upang makabuo ng kinakailangang solong kristal na anyo (ang mainstream ay 4H na kristal na anyo). Ayon sa prospektus ng Tianyue Advanced, ang crystal rod yield ng kumpanya noong 2018-2020 at H1 2021 ay 41%, 38.57%, 50.73% at 49.90% ayon sa pagkakabanggit, at ang substrate yield ay 72.61%, 75.15%, 75.15%, at 75.15%, ayon sa pagkakabanggit. Ang komprehensibong ani ay kasalukuyang 37.7% lamang. Isinasaalang-alang ang pangunahing paraan ng PVT bilang isang halimbawa, ang mababang ani ay higit sa lahat dahil sa mga sumusunod na kahirapan sa paghahanda ng substrate ng SiC:
1. Nahihirapan sa pagkontrol sa field ng temperatura: Ang mga SiC crystal rod ay kailangang gawin sa isang mataas na temperatura na 2500 ℃, habang ang mga silikon na kristal ay nangangailangan lamang ng 1500 ℃, kaya ang mga espesyal na single crystal furnace ay kinakailangan, at ang temperatura ng paglago ay kailangang tumpak na kontrolin sa panahon ng produksyon , na napakahirap kontrolin.
2. Mabagal na bilis ng produksyon: Ang rate ng paglago ng mga tradisyunal na materyales ng silikon ay 300 mm kada oras, ngunit ang mga solong kristal ng silicon carbide ay maaari lamang lumaki ng 400 microns kada oras, na halos 800 beses ang pagkakaiba.
3. Mataas na kinakailangan para sa mahusay na mga parameter ng produkto, at ang ani ng itim na kahon ay mahirap kontrolin sa oras: Ang mga pangunahing parameter ng SiC wafer ay kinabibilangan ng microtube density, dislocation density, resistivity, warpage, surface roughness, atbp. Sa panahon ng proseso ng paglaki ng kristal, ito ay kinakailangan upang tumpak na makontrol ang mga parameter tulad ng silicon-carbon ratio, gradient ng temperatura ng paglago, rate ng paglago ng kristal, at presyon ng daloy ng hangin. Kung hindi, malamang na mangyari ang mga polymorphic inclusion, na magreresulta sa mga hindi kwalipikadong kristal. Sa itim na kahon ng graphite crucible, imposibleng obserbahan ang katayuan ng paglaki ng kristal sa real time, at kinakailangan ang napaka-tumpak na kontrol ng thermal field, pagtutugma ng materyal, at pag-iipon ng karanasan.
4. Kahirapan sa pagpapalawak ng kristal: Sa ilalim ng paraan ng transportasyon ng bahagi ng gas, ang teknolohiya ng pagpapalawak ng paglago ng kristal ng SiC ay lubhang mahirap. Habang lumalaki ang laki ng kristal, ang kahirapan sa paglago nito ay tumataas nang husto.
5. Karaniwang mababa ang ani: Ang mababang ani ay pangunahing binubuo ng dalawang link: (1) Crystal rod yield = semiconductor-grade crystal rod output/(semiconductor-grade crystal rod output + non-semiconductor-grade crystal rod output) × 100%; (2) Substrate yield = qualified substrate output/(qualified substrate output + unqualified substrate output) × 100%.
Sa paghahanda ng mataas na kalidad at mataas na animga substrate ng silikon karbida, ang core ay nangangailangan ng mas mahusay na thermal field na mga materyales upang tumpak na makontrol ang temperatura ng produksyon. Ang mga thermal field crucible kit na kasalukuyang ginagamit ay pangunahing high-purity graphite structural parts, na ginagamit upang magpainit at matunaw ang carbon powder at silicon powder at panatilihing mainit. Ang mga materyales ng graphite ay may mga katangian ng mataas na tiyak na lakas at tiyak na modulus, mahusay na thermal shock resistance at corrosion resistance, ngunit mayroon silang mga disadvantages na madaling ma-oxidized sa mataas na temperatura ng oxygen na kapaligiran, hindi lumalaban sa ammonia, at mahinang scratch resistance. Sa proseso ng silikon carbide solong kristal paglago atsilicon carbide epitaxial waferproduksyon, mahirap matugunan ang lalong mahigpit na pangangailangan ng mga tao para sa paggamit ng mga materyales ng grapayt, na seryosong naghihigpit sa pag-unlad at praktikal na aplikasyon nito. Samakatuwid, ang mga coatings na may mataas na temperatura tulad ng tantalum carbide ay nagsimulang lumabas.
2. Katangian ngTantalum Carbide Coating
Ang TaC ceramic ay may melting point na hanggang 3880 ℃, mataas na tigas (Mohs hardness 9-10), malaking thermal conductivity (22W·m-1·K−1), malaking baluktot na lakas (340-400MPa), at maliit na thermal expansion koepisyent (6.6×10−6K−1), at nagpapakita ng mahusay na thermochemical stability at mahusay na pisikal na katangian. Ito ay may mahusay na chemical compatibility at mechanical compatibility sa graphite at C/C composite materials. Samakatuwid, ang TaC coating ay malawakang ginagamit sa aerospace thermal protection, single crystal growth, energy electronics, at medikal na kagamitan.
Pinahiran ng TaCAng graphite ay may mas mahusay na chemical corrosion resistance kaysa sa bare graphite o SiC-coated graphite, maaaring magamit nang matatag sa mataas na temperatura na 2600°, at hindi tumutugon sa maraming elemento ng metal. Ito ang pinakamahusay na patong sa ikatlong henerasyong semiconductor na nag-iisang kristal na paglaki at mga senaryo ng pag-ukit ng wafer. Maaari itong makabuluhang mapabuti ang kontrol ng temperatura at mga impurities sa proseso at maghandamataas na kalidad na mga wafer ng silicon carbideat kaugnayepitaxial wafers. Ito ay partikular na angkop para sa pagpapalaki ng GaN o AlN single crystal na may MOCVD equipment at pagpapalaki ng SiC single crystals na may PVT equipment, at ang kalidad ng grown single crystals ay makabuluhang napabuti.
III. Mga Bentahe ng Tantalum Carbide Coated Devices
Ang paggamit ng Tantalum Carbide TaC coating ay maaaring malutas ang problema ng mga depekto sa gilid ng kristal at mapabuti ang kalidad ng paglaki ng kristal. Ito ay isa sa mga pangunahing teknikal na direksyon ng "mabilis na lumalago, lumalagong makapal, at lumalaki." Ipinakita rin ng pananaliksik sa industriya na ang Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible ay makakamit ang higit na pare-parehong pag-init, sa gayon ay nagbibigay ng mahusay na kontrol sa proseso para sa paglago ng solong kristal ng SiC, kaya makabuluhang binabawasan ang posibilidad ng pagbuo ng polycrystalline sa gilid ng mga kristal ng SiC. Bilang karagdagan, ang Tantalum Carbide Graphite Coating ay may dalawang pangunahing bentahe:
(I) Pagbabawas ng mga Depekto sa SiC
Sa mga tuntunin ng pagkontrol sa SiC solong kristal na mga depekto, karaniwang may tatlong mahahalagang paraan. Bilang karagdagan sa pag-optimize ng mga parameter ng paglago at mataas na kalidad na mapagkukunan ng mga materyales (tulad ng SiC source powder), ang paggamit ng Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible ay maaari ding makamit ang magandang kalidad ng kristal.
Schematic diagram ng conventional graphite crucible (a) at TAC coated crucible (b)
Ayon sa pananaliksik ng Unibersidad ng Silangang Europa sa Korea, ang pangunahing karumihan sa paglago ng kristal ng SiC ay nitrogen, at ang tantalum carbide coated graphite crucibles ay maaaring epektibong limitahan ang nitrogen incorporation ng SiC crystals, sa gayon ay binabawasan ang pagbuo ng mga depekto tulad ng micropipes at pagpapabuti ng kristal kalidad. Ipinakita ng mga pag-aaral na sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang mga konsentrasyon ng carrier ng SiC wafers na lumago sa conventional graphite crucibles at TAC coated crucibles ay humigit-kumulang 4.5 × 1017/cm at 7.6 × 1015/cm, ayon sa pagkakabanggit.
Paghahambing ng mga depekto sa SiC solong kristal na lumago sa maginoo na graphite crucibles (a) at TAC coated crucibles (b)
(II) Pagpapabuti ng buhay ng graphite crucibles
Sa kasalukuyan, ang halaga ng mga kristal na SiC ay nanatiling mataas, kung saan ang halaga ng mga consumable ng grapayt ay humigit-kumulang 30%. Ang susi sa pagbabawas ng halaga ng mga graphite consumable ay ang pagtaas ng buhay ng serbisyo nito. Ayon sa data mula sa isang pangkat ng pananaliksik sa Britanya, ang mga tantalum carbide coatings ay maaaring pahabain ang buhay ng serbisyo ng mga bahagi ng grapayt ng 30-50%. Ayon sa pagkalkula na ito, ang pagpapalit lamang ng tantalum carbide coated graphite ay maaaring mabawasan ang halaga ng SiC crystals ng 9% -15%.
4. Proseso ng paghahanda ng Tantalum carbide coating
Ang mga pamamaraan ng paghahanda ng TaC coating ay maaaring nahahati sa tatlong kategorya: solid phase method, liquid phase method at gas phase method. Ang paraan ng solid phase ay pangunahing kasama ang paraan ng pagbabawas at pamamaraan ng kemikal; ang paraan ng liquid phase ay kinabibilangan ng molten salt method, sol-gel method (Sol-Gel), slurry-sintering method, plasma spraying method; kasama sa paraan ng gas phase ang chemical vapor deposition (CVD), chemical vapor infiltration (CVI) at physical vapor deposition (PVD). Ang iba't ibang mga pamamaraan ay may sariling mga pakinabang at disadvantages. Kabilang sa mga ito, ang CVD ay isang medyo mature at malawakang ginagamit na pamamaraan para sa paghahanda ng TaC coatings. Sa patuloy na pagpapabuti ng proseso, nabuo ang mga bagong proseso tulad ng hot wire chemical vapor deposition at ion beam assisted chemical vapor deposition.
Ang TaC coating na binagong carbon-based na materyales ay pangunahing kinabibilangan ng graphite, carbon fiber, at carbon/carbon composite na materyales. Ang mga pamamaraan para sa paghahanda ng TaC coatings sa grapayt ay kinabibilangan ng plasma spraying, CVD, slurry sintering, atbp.
Mga kalamangan ng paraan ng CVD: Ang pamamaraan ng CVD para sa paghahanda ng mga TaC coatings ay batay sa tantalum halide (TaX5) bilang tantalum source at hydrocarbon (CnHm) bilang carbon source. Sa ilalim ng ilang mga kundisyon, sila ay nabubulok sa Ta at C ayon sa pagkakabanggit, at pagkatapos ay tumutugon sa isa't isa upang makakuha ng mga TaC coating. Ang pamamaraan ng CVD ay maaaring isagawa sa isang mas mababang temperatura, na maaaring maiwasan ang mga depekto at nabawasan ang mga mekanikal na katangian na dulot ng mataas na temperatura na paghahanda o paggamot ng mga coatings sa isang tiyak na lawak. Ang komposisyon at istraktura ng patong ay nakokontrol, at mayroon itong mga pakinabang ng mataas na kadalisayan, mataas na density, at pare-parehong kapal. Higit sa lahat, ang komposisyon at istraktura ng TaC coatings na inihanda ng CVD ay maaaring idisenyo at madaling kontrolin. Ito ay isang medyo mature at malawakang ginagamit na paraan para sa paghahanda ng mataas na kalidad na TaC coatings.
Ang pangunahing mga salik na nakakaimpluwensya sa proseso ay kinabibilangan ng:
A. Gas flow rate (tantalum source, hydrocarbon gas bilang carbon source, carrier gas, dilution gas Ar2, reducing gas H2): Ang pagbabago sa gas flow rate ay may malaking impluwensya sa temperature field, pressure field, at gas flow field sa ang silid ng reaksyon, na nagreresulta sa mga pagbabago sa komposisyon, istraktura, at pagganap ng patong. Ang pagtaas ng rate ng daloy ng Ar ay magpapabagal sa rate ng paglago ng coating at mababawasan ang laki ng butil, habang ang molar mass ratio ng TaCl5, H2, at C3H6 ay nakakaapekto sa komposisyon ng patong. Ang molar ratio ng H2 hanggang TaCl5 ay (15-20):1, na mas angkop. Ang molar ratio ng TaCl5 hanggang C3H6 ay theoretically malapit sa 3:1. Ang sobrang TaCl5 o C3H6 ay magdudulot ng pagbuo ng Ta2C o libreng carbon, na makakaapekto sa kalidad ng wafer.
B. Deposition temperature: Kung mas mataas ang temperatura ng deposition, mas mabilis ang deposition rate, mas malaki ang laki ng butil, at mas magaspang ang coating. Bilang karagdagan, ang temperatura at bilis ng hydrocarbon decomposition sa C at TaCl5 decomposition sa Ta ay iba, at ang Ta at C ay mas malamang na bumuo ng Ta2C. Ang temperatura ay may malaking impluwensya sa TaC coating modified carbon materials. Habang tumataas ang temperatura ng deposition, tumataas ang rate ng deposition, tumataas ang laki ng particle, at nagbabago ang hugis ng particle mula sa spherical hanggang polyhedral. Bilang karagdagan, mas mataas ang temperatura ng pag-deposito, mas mabilis ang agnas ng TaCl5, mas mababa ang libreng C, mas malaki ang stress sa patong, at madaling mabuo ang mga bitak. Gayunpaman, ang mababang temperatura ng pag-deposito ay hahantong sa mas mababang kahusayan sa pagdedeposito ng coating, mas mahabang oras ng pagdedeposito, at mas mataas na gastos sa hilaw na materyal.
C. Deposition pressure: Ang deposition pressure ay malapit na nauugnay sa libreng enerhiya ng materyal na ibabaw at makakaapekto sa oras ng paninirahan ng gas sa reaction chamber, at sa gayon ay nakakaapekto sa bilis ng nucleation at laki ng particle ng coating. Habang tumataas ang presyon ng deposition, ang oras ng paninirahan ng gas ay nagiging mas mahaba, ang mga reactant ay may mas maraming oras upang sumailalim sa mga reaksyon ng nucleation, ang rate ng reaksyon ay tumataas, ang mga particle ay nagiging mas malaki, at ang patong ay nagiging mas makapal; sa kabaligtaran, habang bumababa ang presyon ng deposition, ang oras ng paninirahan ng reaksyon ng gas ay maikli, ang rate ng reaksyon ay bumagal, ang mga particle ay nagiging mas maliit, at ang patong ay mas payat, ngunit ang presyon ng pagtitiwalag ay may maliit na epekto sa istraktura ng kristal at komposisyon ng patong.
V. Pag-unlad ng trend ng tantalum carbide coating
Ang koepisyent ng thermal expansion ng TaC (6.6×10−6K−1) ay medyo naiiba sa mga materyales na nakabatay sa carbon gaya ng graphite, carbon fiber, at C/C composite na materyales, na ginagawang madaling mag-crack ang single-phase TaC coatings at nahuhulog. Upang higit na mapabuti ang ablation at oxidation resistance, mataas na temperatura na mechanical stability, at high-temperature na kemikal na corrosion resistance ng TaC coatings, nagsagawa ang mga mananaliksik ng pananaliksik sa mga coating system tulad ng composite coating system, solid solution-enhanced coating system, at gradient mga sistema ng patong.
Ang composite coating system ay upang isara ang mga bitak ng isang solong coating. Karaniwan, ang iba pang mga coatings ay ipinapasok sa ibabaw o panloob na layer ng TaC upang bumuo ng isang composite coating system; ang solid solution strengthening coating system na HfC, ZrC, atbp. ay may kaparehong face-centered na cubic na istraktura gaya ng TaC, at ang dalawang carbide ay maaaring walang katapusan na matutunaw sa isa't isa upang bumuo ng solidong istraktura ng solusyon. Ang Hf(Ta)C coating ay walang basag at may magandang pagkakadikit sa C/C composite material. Ang patong ay may mahusay na pagganap ng anti-ablation; ang gradient coating system gradient coating ay tumutukoy sa konsentrasyon ng bahagi ng patong sa direksyon ng kapal nito. Ang istraktura ay maaaring mabawasan ang panloob na stress, mapabuti ang mismatch ng thermal expansion coefficients, at maiwasan ang mga bitak.
(II) Tantalum carbide coating device na mga produkto
Ayon sa mga istatistika at pagtataya ng QYR (Hengzhou Bozhi), ang pandaigdigang benta ng tantalum carbide coating market noong 2021 ay umabot sa US$1.5986 milyon (hindi kasama ang mga produktong self-produced at self-supplied na tantalum carbide coating device ng Cree), at ito ay nasa maaga pa. mga yugto ng pag-unlad ng industriya.
1. Ang mga crystal expansion ring at crucibles na kinakailangan para sa paglaki ng kristal: Batay sa 200 crystal growth furnace bawat enterprise, ang market share ng TaC coated na device na kailangan ng 30 crystal growth na kumpanya ay humigit-kumulang 4.7 bilyong yuan.
2. Mga tray ng TaC: Ang bawat tray ay maaaring magdala ng 3 wafer, bawat tray ay maaaring gamitin sa loob ng 1 buwan, at 1 tray ang nauubos para sa bawat 100 na wafer. Ang 3 milyong wafer ay nangangailangan ng 30,000 TaC tray, bawat tray ay humigit-kumulang 20,000 piraso, at humigit-kumulang 600 milyon ang kailangan bawat taon.
3. Iba pang mga sitwasyon sa pagbabawas ng carbon. Tulad ng mataas na temperatura furnace lining, CVD nozzle, furnace pipe, atbp., tungkol sa 100 milyon.
Oras ng post: Hul-02-2024