SiC өсуіне арналған негізгі материал: тантал карбиді жабыны

Кремний карбиді монокристалды дайындау үшін жиі қолданылатын әдіс PVT (физикалық буларды тасымалдау) әдісі болып табылады, мұнда принцип шикізатты жоғары температуралы аймаққа орналастыруды қамтиды, ал тұқым кристалы салыстырмалы түрде төмен температура аймағында болады. Шикізат жоғары температурада ыдырайды, сұйық фазадан өтпестен тікелей газ тәрізді заттар түзеді. Осьтік температура градиентімен қозғалатын бұл газ тәрізді заттар тұқымдық кристалға тасымалданады, онда ядролану және өсу жүреді, нәтижесінде кремний карбиді монокристалдарының кристалдануы жүреді. Қазіргі уақытта Cree, II-VI, SiCrystal, Dow сияқты шетелдік компаниялар және Tianyue Advanced, Tianke Heida, Century Jingxin сияқты отандық компаниялар бұл әдісті қолдануда.

Кремний карбидінің 200-ден астам кристалдық түрі бар және қажетті монокристалды түрін (негізінен 4H кристалды түрі) жасау үшін нақты бақылау қажет. Tianyue Advanced компаниясының IPO жариялауына сәйкес, кристалды штангалардың шығымдылығы 2018 жылдан 2021 жылдың бірінші жартыжылдығына дейін 41%, 38,57%, 50,73% және 49,90% құрады, ал субстрат шығымдылығы 72,61%, 75,74% және 75,74%, 75,74% құрады. жалпы кірістілік деңгейі қазіргі уақытта небәрі 37,7% құрайды. Мысал ретінде негізгі PVT әдісін қолданатын болсақ, төмен кірістілік негізінен SiC субстратын дайындаудағы келесі қиындықтарға байланысты:

Күрделі температура өрісін бақылау: SiC кристалды таяқшаларды 2500 ° C температурада өндіру керек, ал кремний кристалдары үшін тек 1500 ° C қажет, бұл арнайы монокристалды пештерді қажет етеді. Өндіріс кезінде температураны дәл бақылау айтарлықтай қиындықтар тудырады.

Өндіріс жылдамдығы баяу: Кремнийдің дәстүрлі материалы сағатына 300 миллиметр жылдамдықпен өседі, ал кремний карбиді монокристалдары сағатына 400 микрометрде ғана өсе алады, бұл шамамен 800 есе баяу.

Жоғары сапа параметрлеріне қойылатын талаптар, қара жәшіктің шығу жылдамдығын нақты уақыт режимінде бақылау қиындығы: SiC пластинкаларының негізгі параметрлеріне микротүтіктердің тығыздығы, дислокацияның тығыздығы, кедергісі, қисықтық, бетінің кедір-бұдырлығы және т.б. кіреді. Кристаллдың өсуі кезінде кремний- Көміртек қатынасы, өсу температурасының градиенті, кристалдардың өсу жылдамдығы, ауа ағынының қысымы және т.б. поликристалды ластануды болдырмау үшін өте маңызды, нәтижесінде сапасыз кристалдар пайда болады. Графитті тигельдің қара жәшігіндегі кристалдардың өсуін нақты уақытта бақылау мүмкін емес, бұл термиялық өрісті дәл бақылауды, материалды сәйкестендіруді және жинақталған тәжірибені қажет етеді.

Кристалл диаметрінің кеңеюіндегі қиындықтар: Газ фазалық тасымалдау әдісі бойынша SiC кристалының өсуіне арналған кеңейту технологиясы кристалл өлшемі ұлғайған сайын геометриялық өсу қиындықтарымен бірге айтарлықтай қиындықтар тудырады.

Әдетте төмен кірістілік деңгейі: Төмен өнімділік екі сілтемеден тұрады - (1) Кристалл өзекшесінің шығу жылдамдығы = жартылай өткізгіштегі кристалды өзекшенің шығысы / (жартылай өткізгіштегі кристалды өзекшенің шығысы + жартылай өткізгіш емес кристалды өзекшенің шығысы) × 100%; (2) Субстрат шығымдылығы = білікті субстрат шығысы / (білікті субстрат шығысы + білікті емес субстрат шығысы) × 100%.

Жоғары сапалы, жоғары өнімді кремний карбиді субстраттарын дайындау үшін температураны дәл бақылау үшін жақсы жылу өрісінің материалы қажет. Ағымдағы жылу өрісінің тигель жинақтары негізінен қыздыру, көміртегі ұнтағы мен кремний ұнтағын балқыту және оқшаулау үшін пайдаланылатын жоғары таза графит құрылымдық компоненттерінен тұрады. Графит материалдарының жоғары меншікті беріктігі мен меншікті модулі, термиялық соққыға және коррозияға жақсы төзімділігі және т.б. бар. Дегенмен, олардың жоғары температуралы оттегі орталарында тотығу, аммиак пен сызатқа төзімділігі нашар сияқты кемшіліктері бар, бұл оларды барған сайын қатаң талаптарға жауап бере алмайды Кремний карбидінің монокристалды өсуі мен эпитаксиалды пластиналар өндірісіндегі графиттік материалдарға қойылатын талаптар. Демек, жоғары температуралық жабындар ұнайдыТантал карбидітанымалдыққа ие болуда.

1. СипаттамаларыТантал карбиді жабыны 

Тантал карбиді (TaC) керамикасының жоғары балқу температурасы 3880°C, жоғары қаттылықпен (Mohs қаттылығы 9-10), айтарлықтай жылу өткізгіштікпен (22W·m-1·K−1), жоғары иілу беріктігімен (340-400МПа) ), және төмен жылулық кеңею коэффициенті (6,6×10−6K−1). Ол тамаша термиялық және химиялық тұрақтылық пен тамаша физикалық қасиеттерді көрсетеді, графитпен жақсы химиялық және механикалық үйлесімділікпен,C/C композициялық материалдар, және т.б. Сондықтан, TaC жабындары аэроғарыштық термиялық қорғаныста, монокристалды өсуде, энергетикалық электроникада, медициналық құрылғыларда және басқа салаларда кеңінен қолданылады.

Графитке TaC жабыныжалаңаш графит немесе қарағанда жақсы химиялық коррозияға төзімділігі барSiC қапталған графит, және 2600°C-қа дейінгі жоғары температурада көптеген металдық элементтермен әрекеттеспей тұрақты түрде пайдалануға болады. Ол үшінші буындағы жартылай өткізгішті монокристалды өсіруге және пластинкаларды өңдеуге арналған ең жақсы жабын болып саналады, бұл процесте температура мен қоспаларды бақылауды айтарлықтай жақсартады, бұл жоғары сапалы кремний карбиді пластинкаларын өндіруге әкеледі.эпитаксиалды пластиналар. Ол GaN немесе MOCVD жабдықтарының өсуіне әсіресе қолайлыAlN монокристалдарыжәне SiC монокристалдарының PVT жабдығының өсуі, нәтижесінде кристалл сапасы айтарлықтай жақсарды.

2. АртықшылықтарыТантал карбиді жабыны 

Құрылғылар ҚолданылуыТантал карбиді (TaC) жабындарыкристалды жиектер ақаулық мәселелерін шеше алады, кристалдардың өсу сапасын жақсартады және «жылдам өсу, қалың өсу, үлкен өсу» үшін негізгі технологиялардың бірі болып табылады. Өнеркәсіптік зерттеулер сонымен қатар TaC жабыны бар графит тигельдері SiC монокристалының өсуін тамаша процесті басқаруды қамтамасыз ете отырып, біркелкі қыздыруға қол жеткізе алатынын көрсетті, осылайша SiC кристалының жиектерінің поликристалдарды құру ықтималдығын айтарлықтай төмендетеді. Сонымен қатар,TaC қапталған графит тигельдерекі негізгі артықшылықтар ұсынады:

(1) SiC ақауларын азайту SiC монокристалды ақауларын бақылауда әдетте үш маңызды жол бар, яғни өсу параметрлерін оңтайландыру және жоғары сапалы бастапқы материалдарды (мысалы,SiC көзінің ұнтақтары) және графит тигельдерін ауыстыруTaC қапталған графит тигельдержақсы кристалл сапасына қол жеткізу үшін.

Кәдімгі графит тигельдің (а) және TaC-жабылған тигельдің (b) схемалық диаграммасы 

Кореядағы Шығыс Еуропа университетінің зерттеулеріне сәйкес, SiC кристалының өсуіндегі негізгі қоспа азот болып табылады.TaC қапталған графит тигельдерSiC кристалдарына азоттың қосылуын тиімді шектей алады, осылайша микротүтіктер сияқты ақаулардың пайда болуын азайтады, кристалдық сапасын жақсартады. Зерттеулер көрсеткендей, бірдей жағдайларда тасымалдаушы концентрациясыSiC пластиналарыкәдімгі графит тигельдерде және өсіріледіTaC қапталған тигельдершамамен сәйкесінше 4,5×1017/см және 7,6×1015/см.

Кәдімгі графит тигель (a) мен TaC қапталған тигель (b) арасындағы SiC монокристалды өсу ақауларын салыстыру

(2) Графит тигельдерінің қызмет ету мерзімін ұзарту Қазіргі уақытта SiC кристалдарының құны жоғары болып қалуда, графит шығын материалдары шығындардың шамамен 30% құрайды. Графиттік шығын материалдарының құнын төмендетудің кілті олардың қызмет ету мерзімін ұзарту болып табылады. Британдық зерттеу тобының деректеріне сәйкес, Tantalum Carbide жабындары графит компоненттерінің қызмет ету мерзімін 30-50% ұзарта алады. TaC жабыны бар графитті пайдалану арқылы SiC кристалдарының құнын ауыстыру арқылы 9%-15%-ға төмендетуге болады.TaC қапталған графитжалғыз.

3. Тантал карбидімен қаптау процесі 

дайындауTaC жабындарыүш категорияға жіктеуге болады: қатты фазалық әдіс, сұйық фазалық әдіс және газ фазалық әдіс. Қатты фазалық әдіс негізінен қалпына келтіру әдісін және қосынды әдісін қамтиды; сұйық фазалық әдіске балқытылған тұз әдісі, золь-гель әдісі, суспензия әдісі, плазмалық бүрку әдісі; газ фазалық әдіс химиялық бу тұндыру (CVD), химиялық бу инфильтрация (CVI) және физикалық бу тұндыру (PVD) әдістерін және т.б. қамтиды. Әрбір әдіс өзінің артықшылықтары мен кемшіліктері бар, CVD үшін ең жетілген және кеңінен қолданылатын әдіс. TaC жабындарын дайындау. Үздіксіз процесті жақсарту арқылы химиялық буларды ыстық сыммен тұндыру және ион сәулесінің көмегімен химиялық буларды тұндыру сияқты жаңа әдістер әзірленді.

TaC жабыны модификацияланған көміртегі негізіндегі материалдарға негізінен графит, көміртекті талшықтар және көміртекті/көміртекті композициялық материалдар кіреді. Дайындау әдістеріГрафиттегі TaC жабындарыплазмалық бүрку, CVD, суспензия және т.б.

CVD әдісінің артықшылықтары: дайындауTaC жабындарыCVD арқылы негізделгентантал галогенидтері (TaX5) тантал көзі ретінде және көмірсутектер (CnHm) көміртек көзі ретінде. Белгілі бір жағдайларда бұл материалдар түзу реакциясына түсетін Ta және C-ге ыдырайдыTaC жабындары. CVD төмен температурада жүргізілуі мүмкін, осылайша жоғары температурада жабынды дайындау немесе өңдеу кезінде туындауы мүмкін ақаулар мен механикалық қасиеттердің төмендеуін болдырмайды. Қаптамалардың құрамы мен құрылымы жоғары тазалықты, жоғары тығыздықты және біркелкі қалыңдықты ұсынатын CVD көмегімен басқарылуы мүмкін. Ең бастысы, CVD жоғары сапалы TaC жабындарын дайындаудың жетілген және кеңінен қабылданған әдісін ұсынады.оңай басқарылатын құрамы мен құрылымы.

Процесске әсер ететін негізгі факторларға мыналар жатады:

(1) Газ ағынының жылдамдығы (тантал көзі, көміртек көзі ретінде көмірсутек газы, тасымалдаушы газ, еріткіш газ Ar2, қалпына келтіретін газ Н2):Газ ағынының жылдамдығының өзгеруі реакция камерасындағы температураға, қысымға және газ ағынының өрісіне айтарлықтай әсер етеді, бұл жабын құрамының, құрылымының және қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі. Ar ағынының жоғарылауы жабынның өсу қарқынын бәсеңдетеді және дәннің мөлшерін азайтады, ал TaCl5, H2 және C3H6 молярлық массалық қатынасы жабын құрамына әсер етеді. H2 және TaCl5 молярлық қатынасы (15-20):1 кезінде ең қолайлы, ал TaCl5 пен C3H6 молярлық қатынасы мінсіз 3:1-ге жақын. Шамадан тыс TaCl5 немесе C3H6 пластинаның сапасына әсер ететін Ta2C немесе бос көміртектің пайда болуына әкелуі мүмкін.

(2) Тұндыру температурасы:Тұндыру температурасының жоғарылауы тұндыру жылдамдығының жоғарылауына, дән өлшемдерінің үлкен болуына және жабынның өрескел болуына әкеледі. Сонымен қатар, көмірсутектердің C және TaCl5-тің Ta-ға дейін ыдырау температурасы мен жылдамдығы әртүрлі, бұл Ta2C түзілуін жеңілдетеді. Температура TaC жабыны модификацияланған көміртекті материалға айтарлықтай әсер етеді, жоғарырақ температура шөгу жылдамдығын, түйір өлшемдерін арттырады, сфералық пішіннен көп қырлы пішінге дейін өзгереді. Сонымен қатар, жоғары температура TaCl5 ыдырауын жылдамдатады, бос көміртекті азайтады, жабындардағы ішкі кернеуді арттырады және крекингке әкелуі мүмкін. Дегенмен, төменгі тұндыру температурасы жабынды тұндыру тиімділігін төмендетеді, тұндыру уақытын ұзартады және шикізат шығындарын арттырады.

(3) Тұндыру қысымы:Тұндыру қысымы материалдардың беттік бос энергиясымен тығыз байланысты және газдардың реакция камерасында тұру уақытына әсер етеді, осылайша нуклеация жылдамдығына және жабындардың түйір өлшеміне әсер етеді. Тұндыру қысымы жоғарылаған сайын газдың тұру уақыты ұзарады, бұл реактивтерге нуклеация реакцияларына көбірек уақыт береді, реакция жылдамдығын арттырады, дәндерді ұлғайтады және жабындарды қалыңдатады. Керісінше, тұндыру қысымын төмендету газдың тұру уақытын қысқартады, реакция жылдамдығын бәсеңдетеді, түйір өлшемін азайтады, жабындарды жұқартады, бірақ тұндыру қысымы кристалдық құрылым мен жабынның құрамына ең аз әсер етеді.

4. Тантал карбиді жабынының даму тенденциялары 

TaC (6,6×10−6K−1) термиялық кеңею коэффициенті графит, көміртекті талшықтар, C/C композициялық материалдар сияқты көміртегі негізіндегі материалдардан аздап ерекшеленеді, бұл бір фазалы TaC жабындарының оңай жарылып кетуіне немесе қабаттасуына әкеледі. Тотығуға төзімділігін, жоғары температурада механикалық тұрақтылығын және TaC жабындарының химиялық коррозияға төзімділігін одан әрі жақсарту үшін зерттеушілер зерттеу жүргізді.композициялық жабындар, қатты ерітінділерді күшейтетін жабындар, градиентті жабындар, т.б.

Композиттік жабындар композиттік жабын жүйелерін құра отырып, TaC бетіне немесе ішкі қабаттарына қосымша жабындарды енгізу арқылы бір жабындардағы жарықтарды жабады. HfC, ZrC және т.б. сияқты қатты ерітінділерді күшейтетін жүйелер TaC сияқты бірдей бетке бағытталған текше құрылымына ие, бұл екі карбидтің қатты ерітінді құрылымын құру үшін шексіз өзара ерігіштігін қамтамасыз етеді. Hf(Ta)C жабындары жарықтарсыз және C/C композиттік материалдармен жақсы адгезияны көрсетеді. Бұл жабындар жанып кетуге тамаша төзімділік береді. Градиенттік жабындар қалыңдығы бойынша жабын компоненттерінің үздіксіз градиенттік таралуы бар жабындарға жатады. Бұл құрылым ішкі кернеуді азайтады, жылу кеңею коэффициентін сәйкестендіру мәселелерін жақсартады және сызаттардың пайда болуын болдырмайды.

5. Тантал карбиді қаптау құрылғысының өнімдері

QYR (Хэнчжоу Божи) статистикасы мен болжамдарына сәйкес, жаһандық сатылымТантал карбиді жабындары2021 жылы 1,5986 миллион АҚШ долларына жетті (Cree компаниясының өзі өндіретін Tantalum Carbide жабын құрылғыларын қоспағанда), бұл сала әлі дамудың бастапқы сатысында екенін көрсетеді.

(1) Кристаллдың өсуіне қажетті кеңейту сақиналары мен тигельдер:Кәсіпорынға 200 кристалдық өсу пештері негізінде есептелген, нарықтағы үлесіTaC жабыны30 кристалды өсіретін компания қажет ететін құрылғы шамамен 4,7 миллиард юань құрайды.

(2) TaC науалары:Әрбір науаға 3 вафельді тасымалдауға болады, оның қызмет ету мерзімі әр науаға 1 ай. Әрбір 100 вафли бір науаны пайдаланады. 3 миллион вафлиге 30 000 қажетTaC науалары, әрбір науада шамамен 20 000 дана болады, бұл жыл сайын шамамен 6 млрд.

(3) Басқа декарбонизация сценарийлері.Шамамен 1 млрд жоғары температуралы пештің қаптамалары, CVD саптамалары, пеш құбырлары және т.б.**