Derzeit dominiert die dritte Generation von HalbleiternSiliziumkarbid. In der Kostenstruktur seiner Geräte entfallen 47 % auf das Substrat und 23 % auf die Epitaxie. Die beiden machen zusammen etwa 70 % aus, was den wichtigsten Anteil darstelltSiliziumkarbidIndustriekette der Geräteherstellung.
Die am häufigsten verwendete Methode zur ZubereitungSiliziumkarbidEinkristalle ist die PVT-Methode (Physical Vapour Transport). Das Prinzip besteht darin, die Rohstoffe in einer Hochtemperaturzone und den Impfkristall in einer relativ niedrigen Temperaturzone herzustellen. Die Rohstoffe zersetzen sich bei höherer Temperatur und erzeugen direkt gasförmige Substanzen ohne flüssige Phase. Diese Substanzen in der Gasphase werden unter dem Antrieb des axialen Temperaturgradienten zum Impfkristall transportiert und bilden Keime und wachsen am Impfkristall, um einen Siliziumkarbid-Einkristall zu bilden. Derzeit verwenden ausländische Unternehmen wie Cree, II-VI, SiCrystal, Dow und inländische Unternehmen wie Tianyue Advanced, Tianke Heda und Century Golden Core diese Methode.
Es gibt mehr als 200 Kristallformen von Siliziumkarbid und es ist eine sehr genaue Steuerung erforderlich, um die erforderliche Einkristallform zu erzeugen (die Hauptströmung ist die 4H-Kristallform). Laut dem Prospekt von Tianyue Advanced betrugen die Kristallstabausbeuten des Unternehmens im Zeitraum 2018–2020 und im ersten Halbjahr 2021 41 %, 38,57 %, 50,73 % bzw. 49,90 % und die Substratausbeuten 72,61 %, 75,15 %, 70,44 % bzw. 75,47 %. Die Gesamtrendite beträgt derzeit nur 37,7 %. Am Beispiel der gängigen PVT-Methode ist die geringe Ausbeute hauptsächlich auf die folgenden Schwierigkeiten bei der SiC-Substratvorbereitung zurückzuführen:
1. Schwierigkeiten bei der Temperaturfeldkontrolle: SiC-Kristallstäbe müssen bei einer hohen Temperatur von 2500 °C hergestellt werden, während Siliziumkristalle nur 1500 °C benötigen, sodass spezielle Einkristallöfen erforderlich sind und die Wachstumstemperatur während der Produktion genau gesteuert werden muss , was äußerst schwer zu kontrollieren ist.
2. Langsame Produktionsgeschwindigkeit: Die Wachstumsrate herkömmlicher Siliziummaterialien beträgt 300 mm pro Stunde, aber Siliziumkarbid-Einkristalle können nur 400 Mikrometer pro Stunde wachsen, was fast dem 800-fachen Unterschied entspricht.
3. Hohe Anforderungen an gute Produktparameter und die Black-Box-Ausbeute sind zeitlich schwer zu kontrollieren: Zu den Kernparametern von SiC-Wafern gehören Mikroröhrchendichte, Versetzungsdichte, spezifischer Widerstand, Verzug, Oberflächenrauheit usw. Während des Kristallwachstumsprozesses ist dies der Fall Dies ist erforderlich, um Parameter wie das Silizium-Kohlenstoff-Verhältnis, den Wachstumstemperaturgradienten, die Kristallwachstumsrate und den Luftstromdruck genau zu steuern. Andernfalls kommt es wahrscheinlich zu polymorphen Einschlüssen, die zu unqualifizierten Kristallen führen. In der Blackbox des Graphittiegels ist es unmöglich, den Kristallwachstumsstatus in Echtzeit zu beobachten, und es sind eine sehr präzise Steuerung des Wärmefelds, Materialanpassung und Erfahrungsakkumulation erforderlich.
4. Schwierigkeiten bei der Kristallexpansion: Bei der Gasphasentransportmethode ist die Expansionstechnologie des SiC-Kristallwachstums äußerst schwierig. Mit zunehmender Kristallgröße nimmt die Wachstumsschwierigkeit exponentiell zu.
5. Im Allgemeinen niedrige Ausbeute: Die niedrige Ausbeute setzt sich hauptsächlich aus zwei Zusammenhängen zusammen: (1) Kristallstabausbeute = Kristallstabausstoß in Halbleiterqualität/(Kristallstabausstoß in Halbleiterqualität + Kristallstabausstoß in Nichthalbleiterqualität) × 100 %; (2) Substratausbeute = qualifizierter Substratausstoß/(qualifizierter Substratausstoß + unqualifizierter Substratausstoß) × 100 %.
Bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen und ertragreichen ProduktenSiliziumkarbid-Substrate, benötigt der Kern bessere Wärmefeldmaterialien, um die Produktionstemperatur genau zu steuern. Bei den derzeit verwendeten Thermofeldtiegel-Kits handelt es sich hauptsächlich um Strukturteile aus hochreinem Graphit, die zum Erhitzen, Schmelzen und Warmhalten von Kohlenstoffpulver und Siliziumpulver verwendet werden. Graphitmaterialien zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen spezifischen Modul sowie eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Sie haben jedoch die Nachteile, dass sie in Hochtemperatur-Sauerstoffumgebungen leicht oxidieren, nicht gegen Ammoniak beständig sind und eine schlechte Kratzfestigkeit aufweisen. Im Prozess des Siliziumkarbid-Einkristallwachstums undEpitaxie-Wafer aus SiliziumkarbidBei der Herstellung ist es schwierig, den immer strengeren Anforderungen der Menschen an die Verwendung von Graphitmaterialien gerecht zu werden, was deren Entwicklung und praktische Anwendung erheblich einschränkt. Daher sind Hochtemperaturbeschichtungen wie Tantalkarbid auf dem Vormarsch.
2. Eigenschaften vonTantalcarbid-Beschichtung
TaC-Keramik hat einen Schmelzpunkt von bis zu 3880 °C, eine hohe Härte (Mohs-Härte 9–10), eine große Wärmeleitfähigkeit (22 W·m-1·K−1), eine große Biegefestigkeit (340–400 MPa) und eine geringe Wärmeausdehnung Koeffizient (6,6×10−6K−1) und weist eine ausgezeichnete thermochemische Stabilität und hervorragende physikalische Eigenschaften auf. Es weist eine gute chemische und mechanische Kompatibilität mit Graphit und C/C-Verbundwerkstoffen auf. Daher wird die TaC-Beschichtung häufig für den Wärmeschutz in der Luft- und Raumfahrt, die Einkristallzüchtung, die Energieelektronik und medizinische Geräte eingesetzt.
TaC-beschichtetGraphit hat eine bessere chemische Korrosionsbeständigkeit als blanker Graphit oder SiC-beschichteter Graphit, kann stabil bei hohen Temperaturen von 2600 °C verwendet werden und reagiert nicht mit vielen Metallelementen. Es handelt sich um die beste Beschichtung für die Wachstumsszenarien der dritten Generation von Halbleiter-Einkristallen und das Ätzen von Wafern. Es kann die Kontrolle von Temperatur und Verunreinigungen im Prozess und in der Zubereitung erheblich verbessernhochwertige Siliziumkarbid-Waferund verwandtepitaktische Wafer. Es eignet sich besonders für die Züchtung von GaN- oder AlN-Einkristallen mit MOCVD-Geräten und für die Züchtung von SiC-Einkristallen mit PVT-Geräten, und die Qualität der gezüchteten Einkristalle wird deutlich verbessert.
III. Vorteile von mit Tantalkarbid beschichteten Geräten
Die Verwendung einer Tantalkarbid-TaC-Beschichtung kann das Problem von Kristallkantendefekten lösen und die Qualität des Kristallwachstums verbessern. Es ist eine der zentralen technischen Richtungen „schnell wachsen, dick wachsen und lang wachsen“. Industrieforschung hat auch gezeigt, dass mit Tantalcarbid beschichtete Graphittiegel eine gleichmäßigere Erwärmung erreichen und dadurch eine hervorragende Prozesskontrolle für das Wachstum von SiC-Einkristallen ermöglichen und so die Wahrscheinlichkeit einer polykristallinen Bildung am Rand von SiC-Kristallen erheblich verringern. Darüber hinaus bietet die Tantalkarbid-Graphitbeschichtung zwei große Vorteile:
(I) Reduzierung von SiC-Defekten
Im Hinblick auf die Kontrolle von SiC-Einkristalldefekten gibt es normalerweise drei wichtige Möglichkeiten. Neben der Optimierung von Wachstumsparametern und hochwertigen Ausgangsmaterialien (z. B. SiC-Ausgangspulver) kann durch die Verwendung von mit Tantalkarbid beschichteten Graphittiegeln auch eine gute Kristallqualität erzielt werden.
Schematische Darstellung eines konventionellen Graphittiegels (a) und eines TAC-beschichteten Tiegels (b)
Nach Untersuchungen der University of Eastern Europe in Korea ist Stickstoff die Hauptverunreinigung beim Wachstum von SiC-Kristallen, und mit Tantalkarbid beschichtete Graphittiegel können den Stickstoffeinbau von SiC-Kristallen wirksam begrenzen, wodurch die Entstehung von Defekten wie Mikroröhren reduziert und die Kristalle verbessert werden Qualität. Studien haben gezeigt, dass unter den gleichen Bedingungen die Trägerkonzentrationen von SiC-Wafern, die in herkömmlichen Graphittiegeln und TAC-beschichteten Tiegeln gezüchtet wurden, etwa 4,5×1017/cm bzw. 7,6×1015/cm betragen.
Vergleich von Defekten in SiC-Einkristallen, die in herkömmlichen Graphittiegeln (a) und TAC-beschichteten Tiegeln (b) gezüchtet wurden
(II) Verbesserung der Lebensdauer von Graphittiegeln
Derzeit sind die Kosten für SiC-Kristalle weiterhin hoch, wobei die Kosten für Graphit-Verbrauchsmaterialien etwa 30 % ausmachen. Der Schlüssel zur Senkung der Kosten von Graphit-Verbrauchsmaterialien liegt in der Verlängerung der Lebensdauer. Nach Angaben eines britischen Forscherteams können Tantalkarbidbeschichtungen die Lebensdauer von Graphitbauteilen um 30–50 % verlängern. Nach dieser Berechnung können allein durch den Austausch des mit Tantalkarbid beschichteten Graphits die Kosten für SiC-Kristalle um 9–15 % gesenkt werden.
4. Vorbereitungsprozess für die Tantalcarbid-Beschichtung
Die Vorbereitungsmethoden für TaC-Beschichtungen können in drei Kategorien unterteilt werden: Festphasenmethode, Flüssigphasenmethode und Gasphasenmethode. Die Festphasenmethode umfasst hauptsächlich die Reduktionsmethode und die chemische Methode; Das Flüssigphasenverfahren umfasst das Schmelzsalzverfahren, das Sol-Gel-Verfahren (Sol-Gel), das Aufschlämmungssinterverfahren und das Plasmaspritzverfahren. Das Gasphasenverfahren umfasst die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die chemische Gasphaseninfiltration (CVI) und die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Verschiedene Methoden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Unter diesen ist CVD eine relativ ausgereifte und weit verbreitete Methode zur Herstellung von TaC-Beschichtungen. Mit der kontinuierlichen Verbesserung des Prozesses wurden neue Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung mit Heißdraht und die ionenstrahlunterstützte chemische Gasphasenabscheidung entwickelt.
Zu den mit TaC-Beschichtung modifizierten Materialien auf Kohlenstoffbasis gehören hauptsächlich Graphit, Kohlenstofffasern und Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien. Zu den Methoden zur Herstellung von TaC-Beschichtungen auf Graphit gehören Plasmaspritzen, CVD, Slurry-Sintern usw.
Vorteile der CVD-Methode: Die CVD-Methode zur Herstellung von TaC-Beschichtungen basiert auf Tantalhalogenid (TaX5) als Tantalquelle und Kohlenwasserstoff (CnHm) als Kohlenstoffquelle. Unter bestimmten Bedingungen werden sie in Ta bzw. C zersetzt und reagieren dann miteinander, um TaC-Beschichtungen zu erhalten. Das CVD-Verfahren kann bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden, wodurch Defekte und verringerte mechanische Eigenschaften, die durch die Hochtemperaturvorbereitung oder -behandlung von Beschichtungen verursacht werden, bis zu einem gewissen Grad vermieden werden können. Die Zusammensetzung und Struktur der Beschichtung sind kontrollierbar und bietet die Vorteile einer hohen Reinheit, einer hohen Dichte und einer gleichmäßigen Dicke. Noch wichtiger ist, dass die Zusammensetzung und Struktur der durch CVD hergestellten TaC-Beschichtungen entworfen und leicht kontrolliert werden können. Es handelt sich um eine relativ ausgereifte und weit verbreitete Methode zur Herstellung hochwertiger TaC-Beschichtungen.
Zu den zentralen Einflussfaktoren des Prozesses gehören:
A. Gasdurchflussrate (Tantalquelle, Kohlenwasserstoffgas als Kohlenstoffquelle, Trägergas, Verdünnungsgas Ar2, Reduktionsgas H2): Die Änderung der Gasdurchflussrate hat einen großen Einfluss auf das Temperaturfeld, das Druckfeld und das Gasströmungsfeld in die Reaktionskammer, was zu Veränderungen in der Zusammensetzung, Struktur und Leistung der Beschichtung führt. Eine Erhöhung der Ar-Flussrate verlangsamt die Wachstumsrate der Beschichtung und verringert die Korngröße, während das Molmassenverhältnis von TaCl5, H2 und C3H6 die Beschichtungszusammensetzung beeinflusst. Das Molverhältnis von H2 zu TaCl5 beträgt (15-20):1, was besser geeignet ist. Das Molverhältnis von TaCl5 zu C3H6 liegt theoretisch nahe bei 3:1. Zu viel TaCl5 oder C3H6 führt zur Bildung von Ta2C oder freiem Kohlenstoff, was die Qualität des Wafers beeinträchtigt.
B. Abscheidungstemperatur: Je höher die Abscheidungstemperatur, desto schneller die Abscheidungsrate, desto größer die Korngröße und desto rauer die Beschichtung. Darüber hinaus unterscheiden sich Temperatur und Geschwindigkeit der Kohlenwasserstoffzersetzung in C und der TaCl5-Zersetzung in Ta, und es ist wahrscheinlicher, dass Ta und C Ta2C bilden. Die Temperatur hat einen großen Einfluss auf die TaC-Beschichtung modifizierter Kohlenstoffmaterialien. Mit steigender Abscheidungstemperatur nimmt die Abscheidungsrate zu, die Partikelgröße nimmt zu und die Partikelform ändert sich von kugelförmig zu polyedrisch. Darüber hinaus gilt: Je höher die Abscheidungstemperatur, desto schneller zersetzt sich TaCl5, desto weniger freies C ist vorhanden, desto größer ist die Spannung in der Beschichtung und es kommt leicht zu Rissen. Eine niedrige Abscheidungstemperatur führt jedoch zu einer geringeren Beschichtungsabscheidungseffizienz, einer längeren Abscheidungszeit und höheren Rohstoffkosten.
C. Abscheidungsdruck: Der Abscheidungsdruck hängt eng mit der freien Energie der Materialoberfläche zusammen und beeinflusst die Verweilzeit des Gases in der Reaktionskammer und damit die Keimbildungsgeschwindigkeit und die Partikelgröße der Beschichtung. Mit zunehmendem Abscheidungsdruck wird die Gasverweilzeit länger, die Reaktanten haben mehr Zeit, Keimbildungsreaktionen einzugehen, die Reaktionsgeschwindigkeit steigt, die Partikel werden größer und die Beschichtung wird dicker; Wenn umgekehrt der Abscheidungsdruck abnimmt, ist die Verweilzeit des Reaktionsgases kurz, die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt sich, die Partikel werden kleiner und die Beschichtung dünner, aber der Abscheidungsdruck hat nur geringe Auswirkungen auf die Kristallstruktur und Zusammensetzung der Beschichtung.
V. Entwicklungstrend der Tantalkarbidbeschichtung
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von TaC (6,6×10−6K−1) unterscheidet sich etwas von dem von kohlenstoffbasierten Materialien wie Graphit, Kohlefaser und C/C-Verbundwerkstoffen, was einphasige TaC-Beschichtungen anfällig für Risse und Risse macht herunterfallen. Um die Ablations- und Oxidationsbeständigkeit, die mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen und die chemische Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen von TaC-Beschichtungen weiter zu verbessern, haben Forscher Untersuchungen zu Beschichtungssystemen wie Verbundbeschichtungssystemen, durch feste Lösungen verstärkten Beschichtungssystemen und Gradienten durchgeführt Beschichtungssysteme.
Das Verbundbeschichtungssystem soll die Risse einer einzelnen Beschichtung schließen. Normalerweise werden andere Beschichtungen in die Oberfläche oder Innenschicht von TaC eingebracht, um ein Verbundbeschichtungssystem zu bilden; Das mischkristallverfestigende Beschichtungssystem HfC, ZrC usw. hat die gleiche kubisch-flächenzentrierte Struktur wie TaC, und die beiden Karbide können unendlich ineinander löslich sein, um eine Mischkristallstruktur zu bilden. Die Hf(Ta)C-Beschichtung ist rissfrei und weist eine gute Haftung zum C/C-Verbundwerkstoff auf. Die Beschichtung weist eine hervorragende Anti-Ablationsleistung auf; Das Gradientenbeschichtungssystem bezieht sich auf die Konzentration der Beschichtungskomponenten entlang ihrer Dickenrichtung. Die Struktur kann innere Spannungen reduzieren, die Diskrepanz der Wärmeausdehnungskoeffizienten verbessern und Risse vermeiden.
(II) Produkte für Tantalcarbid-Beschichtungsgeräte
Den Statistiken und Prognosen von QYR (Hengzhou Bozhi) zufolge erreichte der weltweite Marktumsatz für Tantalcarbid-Beschichtungen im Jahr 2021 1,5986 Millionen US-Dollar (ohne Crees selbst hergestellte und selbst gelieferte Tantalcarbid-Beschichtungsgeräteprodukte) und befindet sich noch in den Kinderschuhen Phasen der Branchenentwicklung.
1. Für das Kristallwachstum erforderliche Kristallexpansionsringe und Tiegel: Basierend auf 200 Kristallwachstumsöfen pro Unternehmen beträgt der Marktanteil der von 30 Kristallwachstumsunternehmen benötigten TaC-beschichteten Geräte etwa 4,7 Milliarden Yuan.
2. TaC-Tabletts: Jedes Tablett kann 3 Wafer aufnehmen, jedes Tablett kann einen Monat lang verwendet werden und pro 100 Wafer wird 1 Tablett verbraucht. Für 3 Millionen Wafer sind 30.000 TaC-Trays erforderlich, jedes Tray besteht aus etwa 20.000 Stück und jedes Jahr werden etwa 600 Millionen Wafer benötigt.
3. Andere Szenarien zur CO2-Reduktion. Wie Hochtemperaturofenauskleidung, CVD-Düse, Ofenrohre usw., etwa 100 Millionen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.07.2024