Saat ini, semikonduktor generasi ketiga didominasi olehsilikon karbida. Dalam struktur biaya perangkatnya, substrat menyumbang 47%, dan epitaksi menyumbang 23%. Keduanya bersama-sama menyumbang sekitar 70%, yang merupakan bagian terpenting darisilikon karbidarantai industri manufaktur perangkat.
Metode yang umum digunakan untuk mempersiapkansilikon karbidakristal tunggal adalah metode PVT (transportasi uap fisik). Prinsipnya adalah membuat bahan mentah di zona bersuhu tinggi dan kristal benih di zona bersuhu relatif rendah. Bahan baku pada suhu yang lebih tinggi terurai dan langsung menghasilkan zat berfasa gas tanpa fasa cair. Zat fase gas ini diangkut ke kristal benih di bawah penggerak gradien suhu aksial, dan berinti serta tumbuh di kristal benih untuk membentuk kristal tunggal silikon karbida. Saat ini, perusahaan asing seperti Cree, II-VI, SiCrystal, Dow dan perusahaan dalam negeri seperti Tianyue Advanced, Tianke Heda, dan Century Golden Core semuanya menggunakan metode ini.
Ada lebih dari 200 bentuk kristal silikon karbida, dan kontrol yang sangat tepat diperlukan untuk menghasilkan bentuk kristal tunggal yang diperlukan (umumnya adalah bentuk kristal 4H). Berdasarkan prospektus Tianyue Advanced, imbal hasil batang kristal perseroan pada 2018-2020 dan H1 2021 masing-masing sebesar 41%, 38,57%, 50,73%, dan 49,90%, serta imbal hasil substrat masing-masing sebesar 72,61%, 75,15%, 70,44%, dan 75,47%. Imbal hasil komprehensif saat ini hanya 37,7%. Dengan mengambil contoh metode PVT yang umum, hasil yang rendah terutama disebabkan oleh kesulitan berikut dalam persiapan substrat SiC:
1. Kesulitan dalam pengendalian bidang suhu: Batang kristal SiC perlu diproduksi pada suhu tinggi 2500℃, sedangkan kristal silikon hanya membutuhkan 1500℃, sehingga diperlukan tungku kristal tunggal khusus, dan suhu pertumbuhan perlu dikontrol secara tepat selama produksi. , yang sangat sulit dikendalikan.
2. Kecepatan produksi lambat: Laju pertumbuhan bahan silikon tradisional adalah 300 mm per jam, tetapi kristal tunggal silikon karbida hanya dapat tumbuh 400 mikron per jam, yang merupakan perbedaan hampir 800 kali lipat.
3. Persyaratan tinggi untuk parameter produk yang baik, dan hasil kotak hitam sulit dikendalikan tepat waktu: Parameter inti wafer SiC meliputi kepadatan mikrotube, kepadatan dislokasi, resistivitas, lengkungan, kekasaran permukaan, dll. diperlukan untuk mengontrol parameter secara akurat seperti rasio silikon-karbon, gradien suhu pertumbuhan, laju pertumbuhan kristal, dan tekanan aliran udara. Jika tidak, kemungkinan besar akan terjadi inklusi polimorfik, sehingga menghasilkan kristal yang tidak memenuhi syarat. Di dalam kotak hitam wadah grafit, tidak mungkin untuk mengamati status pertumbuhan kristal secara real time, dan diperlukan kontrol medan termal yang sangat tepat, pencocokan material, dan akumulasi pengalaman.
4. Kesulitan dalam pemuaian kristal: Dengan metode transpor fasa gas, teknologi pemuaian pertumbuhan kristal SiC sangatlah sulit. Ketika ukuran kristal meningkat, kesulitan pertumbuhannya meningkat secara eksponensial.
5. Umumnya hasil rendah: Hasil rendah terutama terdiri dari dua tautan: (1) Hasil batang kristal = keluaran batang kristal tingkat semikonduktor/(keluaran batang kristal tingkat semikonduktor + keluaran batang kristal tingkat non-semikonduktor) × 100%; (2) Hasil media = keluaran media yang memenuhi syarat/(keluaran media yang memenuhi syarat + keluaran media yang tidak memenuhi syarat) × 100%.
Dalam persiapannya berkualitas tinggi dan hasil tinggisubstrat silikon karbida, intinya membutuhkan bahan medan termal yang lebih baik untuk mengontrol suhu produksi secara akurat. Kit wadah medan termal yang saat ini digunakan sebagian besar merupakan bagian struktural grafit dengan kemurnian tinggi, yang digunakan untuk memanaskan dan melelehkan bubuk karbon dan bubuk silikon serta menjaga kehangatan. Bahan grafit memiliki karakteristik kekuatan spesifik dan modulus spesifik yang tinggi, ketahanan guncangan termal dan ketahanan korosi yang baik, namun memiliki kelemahan yaitu mudah teroksidasi di lingkungan oksigen suhu tinggi, tidak tahan terhadap amonia, dan ketahanan gores yang buruk. Dalam proses pertumbuhan kristal tunggal silikon karbida danwafer epitaksi silikon karbidaproduksi, sulit untuk memenuhi persyaratan penggunaan bahan grafit yang semakin ketat, yang secara serius membatasi pengembangan dan penerapan praktisnya. Oleh karena itu, pelapis suhu tinggi seperti tantalum karbida mulai bermunculan.
2. Ciri-ciriLapisan Tantalum Karbida
Keramik TaC memiliki titik leleh hingga 3880℃, kekerasan tinggi (kekerasan Mohs 9-10), konduktivitas termal besar (22W·m-1·K−1), kekuatan lentur besar (340-400MPa), dan ekspansi termal kecil koefisien (6,6×10−6K−1), dan menunjukkan stabilitas termokimia yang sangat baik dan sifat fisik yang sangat baik. Ini memiliki kompatibilitas kimia yang baik dan kompatibilitas mekanis dengan material komposit grafit dan C/C. Oleh karena itu, lapisan TaC banyak digunakan dalam perlindungan termal ruang angkasa, pertumbuhan kristal tunggal, elektronik energi, dan peralatan medis.
dilapisi TaCgrafit memiliki ketahanan korosi kimia yang lebih baik daripada grafit telanjang atau grafit berlapis SiC, dapat digunakan secara stabil pada suhu tinggi 2600°, dan tidak bereaksi dengan banyak elemen logam. Ini adalah lapisan terbaik dalam skenario pertumbuhan kristal tunggal semikonduktor generasi ketiga dan etsa wafer. Ini dapat secara signifikan meningkatkan kontrol suhu dan kotoran dalam proses dan persiapanwafer silikon karbida berkualitas tinggidan terkaitwafer epitaksial. Ini sangat cocok untuk menumbuhkan kristal tunggal GaN atau AlN dengan peralatan MOCVD dan menumbuhkan kristal tunggal SiC dengan peralatan PVT, dan kualitas kristal tunggal yang ditumbuhkan meningkat secara signifikan.
AKU AKU AKU. Keuntungan Perangkat Dilapisi Tantalum Karbida
Penggunaan lapisan Tantalum Carbide TaC dapat mengatasi masalah cacat tepi kristal dan meningkatkan kualitas pertumbuhan kristal. Ini adalah salah satu arahan teknis inti “tumbuh cepat, tumbuh lebat, dan bertambah panjang”. Penelitian industri juga menunjukkan bahwa Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible dapat mencapai pemanasan yang lebih seragam, sehingga memberikan kontrol proses yang sangat baik untuk pertumbuhan kristal tunggal SiC, sehingga secara signifikan mengurangi kemungkinan pembentukan polikristalin di tepi kristal SiC. Selain itu, Lapisan Grafit Tantalum Karbida memiliki dua keunggulan utama:
(I) Mengurangi Cacat SiC
Dalam hal mengendalikan cacat kristal tunggal SiC, biasanya ada tiga cara penting. Selain mengoptimalkan parameter pertumbuhan dan bahan sumber berkualitas tinggi (seperti bubuk sumber SiC), penggunaan Tantalum Carbide Coated Graphite Crucible juga dapat mencapai kualitas kristal yang baik.
Diagram skema wadah grafit konvensional (a) dan wadah berlapis TAC (b)
Menurut penelitian yang dilakukan oleh Universitas Eropa Timur di Korea, pengotor utama dalam pertumbuhan kristal SiC adalah nitrogen, dan cawan lebur grafit berlapis tantalum karbida dapat secara efektif membatasi penggabungan nitrogen ke dalam kristal SiC, sehingga mengurangi timbulnya cacat seperti pipa mikro dan peningkatan kualitas kristal. kualitas. Penelitian telah menunjukkan bahwa dalam kondisi yang sama, konsentrasi pembawa wafer SiC yang ditumbuhkan dalam cawan lebur grafit konvensional dan cawan lebur berlapis TAC masing-masing kira-kira 4,5×1017/cm dan 7,6×1015/cm.
Perbandingan cacat pada kristal tunggal SiC yang ditumbuhkan dalam cawan lebur grafit konvensional (a) dan cawan lebur berlapis TAC (b)
(II) Meningkatkan umur cawan lebur grafit
Saat ini, harga kristal SiC tetap tinggi, dimana biaya bahan habis pakai grafit mencapai sekitar 30%. Kunci untuk mengurangi biaya bahan habis pakai grafit adalah dengan meningkatkan masa pakainya. Menurut data tim peneliti Inggris, lapisan tantalum karbida dapat memperpanjang umur komponen grafit hingga 30-50%. Menurut perhitungan ini, hanya mengganti grafit berlapis tantalum karbida yang dapat mengurangi biaya kristal SiC sebesar 9%-15%.
4. Proses persiapan pelapisan tantalum karbida
Metode preparasi pelapisan TaC dapat dibagi menjadi tiga kategori: metode fase padat, metode fase cair, dan metode fase gas. Metode fase padat terutama mencakup metode reduksi dan metode kimia; metode fase cair meliputi metode garam cair, metode sol-gel (Sol-Gel), metode slurry-sintering, metode penyemprotan plasma; metode fase gas meliputi deposisi uap kimia (CVD), infiltrasi uap kimia (CVI) dan deposisi uap fisik (PVD). Metode yang berbeda mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing. Diantaranya, CVD adalah metode yang relatif matang dan banyak digunakan untuk menyiapkan pelapis TaC. Dengan perbaikan proses yang berkelanjutan, proses baru seperti deposisi uap kimia kawat panas dan deposisi uap kimia berbantuan sinar ion telah dikembangkan.
Bahan berbasis karbon yang dimodifikasi lapisan TaC terutama mencakup grafit, serat karbon, dan bahan komposit karbon/karbon. Metode pembuatan pelapis TaC pada grafit meliputi penyemprotan plasma, CVD, sintering bubur, dll.
Keunggulan metode CVD: Metode CVD untuk pembuatan pelapis TaC didasarkan pada tantalum halida (TaX5) sebagai sumber tantalum dan hidrokarbon (CnHm) sebagai sumber karbon. Dalam kondisi tertentu, mereka masing-masing terurai menjadi Ta dan C, dan kemudian bereaksi satu sama lain untuk mendapatkan lapisan TaC. Metode CVD dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah, yang dapat menghindari cacat dan penurunan sifat mekanik yang disebabkan oleh persiapan suhu tinggi atau perlakuan pelapisan sampai batas tertentu. Komposisi dan struktur lapisan dapat dikontrol, dan memiliki keunggulan berupa kemurnian tinggi, kepadatan tinggi, dan ketebalan seragam. Lebih penting lagi, komposisi dan struktur pelapis TaC yang dibuat oleh CVD dapat dirancang dan dikontrol dengan mudah. Ini adalah metode yang relatif matang dan banyak digunakan untuk menyiapkan pelapis TaC berkualitas tinggi.
Faktor-faktor inti yang mempengaruhi proses ini meliputi:
A. Laju aliran gas (sumber tantalum, gas hidrokarbon sebagai sumber karbon, gas pembawa, gas pengenceran Ar2, gas pereduksi H2): Perubahan laju aliran gas mempunyai pengaruh yang besar terhadap medan suhu, medan tekanan, dan medan aliran gas dalam ruang reaksi, mengakibatkan perubahan komposisi, struktur, dan kinerja lapisan. Peningkatan laju aliran Ar akan memperlambat laju pertumbuhan lapisan dan memperkecil ukuran butir, sedangkan rasio massa molar TaCl5, H2, dan C3H6 mempengaruhi komposisi lapisan. Rasio molar H2 terhadap TaCl5 adalah (15-20):1, mana yang lebih sesuai. Rasio molar TaCl5 terhadap C3H6 secara teoritis mendekati 3:1. TaCl5 atau C3H6 yang berlebihan akan menyebabkan terbentuknya Ta2C atau karbon bebas sehingga mempengaruhi kualitas wafer.
B. Suhu pengendapan: Semakin tinggi suhu pengendapan, semakin cepat laju pengendapan, semakin besar ukuran butir, dan semakin kasar lapisannya. Selain itu, suhu dan kecepatan penguraian hidrokarbon menjadi C dan penguraian TaCl5 menjadi Ta berbeda, dan Ta dan C lebih cenderung membentuk Ta2C. Temperatur mempunyai pengaruh yang besar terhadap bahan karbon termodifikasi lapisan TaC. Dengan meningkatnya suhu pengendapan, laju pengendapan meningkat, ukuran partikel meningkat, dan bentuk partikel berubah dari bola menjadi polihedral. Selain itu, semakin tinggi suhu pengendapan, semakin cepat dekomposisi TaCl5, semakin sedikit C bebas, semakin besar tegangan pada lapisan, dan retakan akan mudah terjadi. Namun, suhu deposisi yang rendah akan menyebabkan efisiensi deposisi lapisan yang lebih rendah, waktu deposisi yang lebih lama, dan biaya bahan baku yang lebih tinggi.
C. Tekanan deposisi: Tekanan deposisi berkaitan erat dengan energi bebas permukaan material dan akan mempengaruhi waktu tinggal gas dalam ruang reaksi, sehingga mempengaruhi kecepatan nukleasi dan ukuran partikel lapisan. Dengan meningkatnya tekanan deposisi, waktu tinggal gas menjadi lebih lama, reaktan memiliki lebih banyak waktu untuk menjalani reaksi nukleasi, laju reaksi meningkat, partikel menjadi lebih besar, dan lapisan menjadi lebih tebal; sebaliknya, dengan menurunnya tekanan deposisi, waktu tinggal gas reaksi menjadi pendek, laju reaksi melambat, partikel menjadi lebih kecil, dan lapisan menjadi lebih tipis, namun tekanan deposisi memiliki pengaruh yang kecil terhadap struktur kristal dan komposisi lapisan.
V. Tren perkembangan lapisan tantalum karbida
Koefisien ekspansi termal TaC (6,6×10−6K−1) agak berbeda dengan material berbasis karbon seperti grafit, serat karbon, dan material komposit C/C, yang membuat lapisan TaC fase tunggal rentan terhadap retak dan jatuh. Untuk lebih meningkatkan ketahanan ablasi dan oksidasi, stabilitas mekanis suhu tinggi, dan ketahanan korosi kimia suhu tinggi pada lapisan TaC, para peneliti telah melakukan penelitian pada sistem pelapisan seperti sistem pelapisan komposit, sistem pelapisan yang ditingkatkan larutan padat, dan gradien. sistem pelapisan.
Sistem pelapisan komposit adalah menutup celah-celah pada satu lapisan. Biasanya, pelapis lain dimasukkan ke permukaan atau lapisan dalam TaC untuk membentuk sistem pelapisan komposit; sistem pelapisan penguat larutan padat HfC, ZrC, dll. memiliki struktur kubik berpusat muka yang sama dengan TaC, dan kedua karbida dapat larut tanpa batas satu sama lain untuk membentuk struktur larutan padat. Lapisan Hf(Ta)C bebas retak dan memiliki daya rekat yang baik pada material komposit C/C. Lapisan ini memiliki kinerja anti-ablasi yang sangat baik; sistem pelapisan gradien pelapisan gradien mengacu pada konsentrasi komponen pelapis sepanjang arah ketebalannya. Struktur tersebut dapat mengurangi tegangan internal, memperbaiki ketidaksesuaian koefisien muai panas, dan menghindari retakan.
(II) Produk perangkat pelapis Tantalum karbida
Menurut statistik dan perkiraan QYR (Hengzhou Bozhi), penjualan pasar pelapis tantalum karbida global pada tahun 2021 mencapai US$1,5986 juta (tidak termasuk produk perangkat pelapis tantalum karbida yang diproduksi sendiri dan disuplai sendiri oleh Cree), dan masih dalam tahap awal. tahapan perkembangan industri.
1. Cincin dan cawan ekspansi kristal yang dibutuhkan untuk pertumbuhan kristal: Berdasarkan 200 tungku pertumbuhan kristal per perusahaan, pangsa pasar perangkat berlapis TaC yang dibutuhkan oleh 30 perusahaan pertumbuhan kristal adalah sekitar 4,7 miliar yuan.
2. Baki TaC: Setiap baki dapat memuat 3 wafer, setiap baki dapat digunakan selama 1 bulan, dan 1 baki digunakan untuk setiap 100 wafer. 3 juta wafer memerlukan 30.000 baki TaC, setiap baki berisi sekitar 20.000 lembar, dan dibutuhkan sekitar 600 juta setiap tahun.
3. Skenario pengurangan karbon lainnya. Seperti lapisan tungku suhu tinggi, nosel CVD, pipa tungku, dll, sekitar 100 juta.
Waktu posting: 02-Jul-2024