SiC artımı üçün əsas material: Tantal karbid örtüyü

Silikon Karbid monokristalının hazırlanması üçün ümumi istifadə edilən üsul PVT (Fiziki Buxar Nəqliyyatı) üsuludur, burada prinsip xammalın yüksək temperatur zonasında, toxum kristalının isə nisbətən aşağı temperatur zonasında yerləşdirilməsini nəzərdə tutur. Daha yüksək temperaturda xammal parçalanır, maye fazadan keçmədən birbaşa qaz halında olan maddələr əmələ gətirir. Eksenel temperatur qradiyenti ilə idarə olunan bu qazlı maddələr toxum kristalına daşınır, burada nüvələşmə və böyümə baş verir, nəticədə Silikon Karbid monokristallarının kristallaşması baş verir. Hazırda Cree, II-VI, SiCrystal, Dow kimi xarici şirkətlər və Tianyue Advanced, Tianke Heida, Century Jingxin kimi yerli şirkətlər bu üsuldan istifadə edirlər.

Silikon Karbid 200-dən çox kristal növünə malikdir və istənilən tək kristal tipini (əsasən 4H kristal növü) yaratmaq üçün dəqiq nəzarət tələb olunur. Tianyue Advanced-in IPO açıqlamasına görə, 2018-ci ildən 2021-ci ilin birinci yarısına qədər kristal çubuq məhsuldarlıq dərəcələri 41%, 38.57%, 50.73% və 49.90%, substratın məhsuldarlıq dərəcələri isə 72.61% və 75.74%, 75701.4% idi. ümumi gəlir dərəcəsi hazırda cəmi 37,7% təşkil edir. Nümunə kimi əsas PVT metodundan istifadə edərək, aşağı məhsuldarlıq əsasən SiC substratının hazırlanmasında aşağıdakı çətinliklərlə bağlıdır:

Çətin temperatur sahəsinə nəzarət: SiC kristal çubuqları 2500 ° C-də istehsal edilməlidir, silikon kristalları isə yalnız 1500 ° C tələb edir, bu da xüsusi monokristal sobalarını tələb edir. İstehsal zamanı dəqiq temperatur nəzarəti əhəmiyyətli problemlər yaradır.

Yavaş istehsal sürəti: Ənənəvi Silikon materialı saatda 300 millimetr sürətlə böyüyür, halbuki Silikon Karbid tək kristalları saatda yalnız 400 mikrometr, təxminən 800 dəfə yavaş böyüyə bilər.

Yüksək keyfiyyətli parametrlər tələbi, qara qutunun məhsuldarlığına real vaxt rejimində nəzarət etməkdə çətinlik: SiC vaflilərinin əsas parametrlərinə mikrotube sıxlığı, dislokasiya sıxlığı, müqavimət, əyrilik, səth pürüzlülüyü və s. daxildir. Kristal artımı zamanı Silikon-a dəqiq nəzarət Karbon nisbəti, böyümə temperaturu qradiyenti, kristal böyümə sürəti, hava axını təzyiqi və s., keyfiyyətsiz kristallarla nəticələnən polikristal çirklənmənin qarşısını almaq üçün vacibdir. Qrafit potasının qara qutusunda kristal artımının real vaxt rejimində müşahidəsi mümkün deyil, bu da dəqiq istilik sahəsinə nəzarət, material uyğunluğu və toplanmış təcrübə tələb edir.

Kristal diametrinin genişləndirilməsində çətinlik: Qaz fazasının nəqli metoduna əsasən, SiC kristalının böyüməsi üçün genişləndirmə texnologiyası əhəmiyyətli problemlər yaradır, kristal ölçüsü artdıqca böyümə çətinliyi həndəsi şəkildə artır.

Ümumiyyətlə aşağı məhsuldarlıq dərəcəsi: Aşağı məhsuldarlıq dərəcəsi iki keçiddən ibarətdir - (1) Kristal çubuq məhsuldarlığı = yarımkeçirici dərəcəli kristal çubuq çıxışı / (yarımkeçirici dərəcəli kristal çubuq çıxışı + yarımkeçirici olmayan dərəcəli kristal çubuq çıxışı) × 100%; (2) Substrat məhsuldarlığı = keyfiyyətli substrat çıxışı / (ixtisaslı substrat çıxışı + keyfiyyətsiz substrat çıxışı) × 100%.

Yüksək keyfiyyətli, yüksək məhsuldar Silikon Karbid substratlarını hazırlamaq üçün dəqiq temperatur nəzarəti üçün yaxşı istilik sahəsi materialı vacibdir. Cari termal sahə pota dəstləri əsasən isitmə, Karbon tozunun və Silikon tozunun əriməsi və izolyasiya üçün istifadə olunan yüksək təmizlikli qrafit struktur komponentlərindən ibarətdir. Qrafit materialları üstün spesifik gücə və xüsusi modula, termal zərbəyə və korroziyaya qarşı yaxşı müqavimətə və s. malikdir. Bununla belə, onların yüksək temperaturlu oksigen mühitlərində oksidləşmə, ammonyak və cızılmaya qarşı zəif müqavimət kimi çatışmazlıqları var ki, bu da onları getdikcə daha sərt tələblərə cavab verə bilmir. Silikon Karbid monokristal artımı və epitaksial vafli istehsalında qrafit materiallarına olan tələblər. Beləliklə, yüksək temperaturlu örtüklər kimiTantal karbidpopulyarlıq qazanırlar.

1. XüsusiyyətləriTantal karbid örtüyü 

Tantal karbid (TaC) keramika 3880°C yüksək ərimə nöqtəsinə malikdir, yüksək sərtliyə (Mohs sərtliyi 9-10), əhəmiyyətli istilik keçiriciliyinə (22W·m-1·K−1), yüksək əyilmə gücünə (340-400MPa) malikdir. ) və aşağı istilik genişlənmə əmsalı (6,6×10−6K−1). Qrafitlə yaxşı kimyəvi və mexaniki uyğunluğu ilə əla istilik və kimyəvi sabitlik və əla fiziki xüsusiyyətlər nümayiş etdirir,C/C kompozit materiallarvə s. Buna görə də, TaC örtükləri aerokosmik istilik mühafizəsi, monokristal artımı, enerji elektronikası, tibbi cihazlar və digər sahələrdə geniş istifadə olunur.

Qrafit üzərində TaC örtüyüçılpaq qrafitdən daha yaxşı kimyəvi korroziya müqavimətinə malikdir və yaSiC örtüklü qrafit, və bir çox metal elementlərlə reaksiya vermədən 2600°C-ə qədər yüksək temperaturda stabil şəkildə istifadə edilə bilər. O, üçüncü nəsil yarımkeçirici monokristal böyüməsi və vafli aşındırılması üçün ən yaxşı örtük hesab olunur, prosesdə temperatur və çirklərə nəzarəti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır və yüksək keyfiyyətli Silikon Karbid vaflilərinin istehsalına gətirib çıxarır.epitaksial vaflilər. GaN və ya MOCVD avadanlıqlarının böyüməsi üçün xüsusilə uyğundurAlN monokristallarıvə SiC monokristallarının PVT avadanlığının böyüməsi, kristal keyfiyyətinin əhəmiyyətli dərəcədə artması ilə nəticələnir.

2. ÜstünlükləriTantal karbid örtüyü 

Cihazların istifadəsiTantal karbid (TaC) örtüklərikristal kənarında qüsur problemlərini həll edə, kristal artım keyfiyyətini yaxşılaşdıra bilər və "sürətli böyümə, qalın böyümə, böyük böyümə" üçün əsas texnologiyalardan biridir. Sənaye tədqiqatları həmçinin göstərdi ki, TaC ilə örtülmüş qrafit tigelər daha vahid isitmə əldə edə bilər, SiC monokristalının böyüməsi üçün əla proses nəzarətini təmin edir və bununla da SiC kristal kənarlarının polikristalların əmələ gəlməsi ehtimalını əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. Bundan əlavə,TaC ilə örtülmüş qrafit tigeləriki əsas üstünlük təklif edir:

(1) SiC qüsurlarının azaldılması SiC monokristal qüsurlarına nəzarət etmək üçün adətən üç mühüm yol var, yəni böyümə parametrlərini optimallaşdırmaq və yüksək keyfiyyətli mənbə materiallarından (məsələn,SiC mənbəli tozlar) və qrafit tigeləri ilə əvəz edilməsiTaC ilə örtülmüş qrafit tigeləryaxşı kristal keyfiyyətinə nail olmaq üçün.

Adi qrafit tigenin sxematik diaqramı (a) və TaC ilə örtülmüş tige (b) 

Koreyadakı Şərqi Avropa Universitetinin araşdırmasına görə, SiC kristalının böyüməsində əsas çirk azotdur.TaC ilə örtülmüş qrafit tigelərazotun SiC kristallarına daxil olmasını effektiv şəkildə məhdudlaşdıra bilər, bununla da mikrotubalar kimi qüsurların əmələ gəlməsini azaldaraq kristal keyfiyyətini yaxşılaşdırır. Tədqiqatlar göstərdi ki, eyni şəraitdə daşıyıcı konsentrasiyasıSiC vaflilərişərti qrafit tigelərdə yetişdirilir vəTaC ilə örtülmüş tigelərtəxminən müvafiq olaraq 4,5×1017/sm və 7,6×1015/sm-dir.

Adi qrafit tige (a) və TaC ilə örtülmüş tige (b) arasında SiC monokristal artımındakı qüsurların müqayisəsi

(2) Qrafit tigelərin ömrünün uzadılması Hal-hazırda SiC kristallarının qiyməti yüksək olaraq qalır, qrafit məsrəfləri xərclərin təxminən 30%-ni təşkil edir. Qrafit istehlak materiallarının xərclərini azaltmağın açarı onların xidmət müddətini uzatmaqdır. İngilis tədqiqat qrupunun məlumatlarına görə, Tantal Carbide örtükləri qrafit komponentlərinin xidmət müddətini 30-50% artıra bilər. TaC ilə örtülmüş qrafitdən istifadə etməklə, SiC kristallarının dəyərini dəyişdirməklə 9-15% azalda bilər.TaC ilə örtülmüş qrafittək.

3. Tantal Karbid Kaplama Prosesi 

HazırlanmasıTaC örtükləriüç kateqoriyaya təsnif edilə bilər: bərk faza üsulu, maye faza üsulu və qaz faza üsulu. Bərk faza üsuluna əsasən reduksiya metodu və birləşmə üsulu daxildir; maye-faza üsuluna əridilmiş duz üsulu, sol-gel üsulu, şlam-sinterləmə üsulu, plazma çiləmə üsulu daxildir; qaz fazalı metoda kimyəvi buxar çökdürmə (CVD), kimyəvi buxar infiltrasiya (CVI) və fiziki buxar çökmə (PVD) üsulları və s. daxildir. Hər bir metodun öz üstünlükləri və çatışmazlıqları var, CVD üçün ən yetkin və geniş istifadə olunan üsuldur. TaC örtüklərinin hazırlanması. Davamlı proses təkmilləşdirmələri ilə isti məftil kimyəvi buxar çökdürmə və ion şüası ilə dəstəklənən kimyəvi buxar çökdürmə kimi yeni texnikalar işlənib hazırlanmışdır.

TaC örtüyü ilə dəyişdirilmiş karbon əsaslı materiallara əsasən qrafit, karbon lifləri və karbon/karbon kompozit materialları daxildir. Hazırlanma üsullarıQrafit üzərində TaC örtükləriplazma ilə çiləmə, CVD, məhlulla qarışdırma və s. daxildir.

CVD metodunun üstünlükləri: HazırlanmasıTaC örtükləriCVD vasitəsilə əsaslanırtantal halogenidləri (TaX5) tantal mənbəyi kimi və karbohidrogenlər (CnHm) karbon mənbəyi kimi. Xüsusi şəraitdə bu materiallar əmələ gəlmək üçün reaksiya verən Ta və C-yə parçalanırTaC örtükləri. CVD daha aşağı temperaturda həyata keçirilə bilər, beləliklə, yüksək temperaturda örtüyün hazırlanması və ya müalicəsi zamanı yarana biləcək qüsurların və azaldılmış mexaniki xüsusiyyətlərin qarşısını almaq olar. Kaplamaların tərkibi və quruluşu yüksək təmizlik, yüksək sıxlıq və vahid qalınlıq təklif edən CVD ilə idarə oluna bilər. Daha da əhəmiyyətlisi, CVD yüksək keyfiyyətli TaC örtüklərinin hazırlanması üçün yetkin və geniş yayılmış bir üsul təqdim edir.asanlıqla idarə olunan tərkibi və quruluşu.

Prosesə təsir edən əsas amillərə aşağıdakılar daxildir:

(1) Qaz axını dərəcələri (tantal mənbəyi, karbon mənbəyi kimi karbohidrogen qazı, daşıyıcı qaz, seyreltici qaz Ar2, azaldan qaz H2):Qaz axını sürətlərindəki dəyişikliklər reaksiya kamerasında temperatur, təzyiq və qaz axını sahəsinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir edir və örtük tərkibinin, strukturunun və xassələrinin dəyişməsinə səbəb olur. Artan Ar axını örtünün böyümə sürətini yavaşlatacaq və taxıl ölçüsünü azaldacaq, TaCl5, H2 və C3H6-nın molar kütlə nisbəti örtük tərkibinə təsir göstərir. H2-nin TaCl5-ə molar nisbəti (15-20):1-də ən uyğundur və TaCl5-in C3H6-ya molar nisbəti ideal olaraq 3:1-ə yaxındır. Həddindən artıq TaCl5 və ya C3H6, vafli keyfiyyətinə təsir edən Ta2C və ya sərbəst Karbonun əmələ gəlməsi ilə nəticələnə bilər.

(2) Çöküntü temperaturu:Daha yüksək çökmə temperaturları daha sürətli çökmə sürətinə, daha böyük taxıl ölçülərinə və daha kobud örtüklərə səbəb olur. Bundan əlavə, karbohidrogenlərin C-yə və TaCl5-in Ta-ya parçalanma temperaturları və dərəcələri fərqlidir, bu da Ta2C-nin daha asan əmələ gəlməsinə səbəb olur. Temperatur TaC örtüyü ilə dəyişdirilmiş karbon materialına əhəmiyyətli təsir göstərir, daha yüksək temperaturlar çökmə sürətlərini, taxıl ölçülərini artırır, sferik formadan çoxüzlü formalara dəyişir. Bundan əlavə, yüksək temperaturlar TaCl5-in parçalanmasını sürətləndirir, sərbəst Karbonu azaldır, örtüklərdə daxili gərginliyi artırır və çatlamağa səbəb ola bilər. Bununla belə, aşağı çökmə temperaturları örtük çökdürmə səmərəliliyini azalda bilər, çökmə müddətini uzadır və xammal xərclərini artıra bilər.

(3) Çöküntü təzyiqi:Çöküntü təzyiqi materialların səthinin sərbəst enerjisi ilə sıx bağlıdır və qazların reaksiya kamerasında qalma müddətinə təsir edir, bununla da örtüklərin nüvələşmə sürətinə və taxıl ölçüsünə təsir göstərir. Çöküntü təzyiqi artdıqca, qazın qalma müddəti uzanır, bu da reaktivlərə nüvələşmə reaksiyaları üçün daha çox vaxt verir, reaksiya sürətlərini artırır, taxılları böyüdür və örtükləri qalınlaşdırır. Əksinə, çökmə təzyiqinin aşağı salınması qazın qalma müddətini azaldır, reaksiya sürətini yavaşlatır, taxıl ölçüsünü azaldır, örtükləri incəldir, lakin çökmə təzyiqi kristal quruluşuna və örtüklərin tərkibinə minimal təsir göstərir.

4. Tantal karbid örtüyünün inkişafı meylləri 

TaC-nin istilik genişlənmə əmsalı (6.6×10−6K−1) qrafit, karbon lifləri, C/C kompozit materiallar kimi karbon əsaslı materiallardan bir qədər fərqlənir və birfazalı TaC örtüklərinin asanlıqla çatlamasına və ya təbəqələşməsinə səbəb olur. TaC örtüklərinin oksidləşmə müqavimətini, yüksək temperaturda mexaniki dayanıqlığını və kimyəvi korroziyaya davamlılığını daha da yaxşılaşdırmaq üçün tədqiqatçılar tədqiqatlar aparmışlar.kompozit örtüklər, bərk məhlul gücləndirici örtüklər, gradient örtüklərvə s.

Kompozit örtüklər TaC-nin səthinə və ya daxili təbəqələrinə əlavə örtüklər daxil edərək, kompozit örtük sistemlərini formalaşdırmaqla tək örtüklərdə çatlaqları bağlayır. HfC, ZrC və s. kimi bərk məhlul gücləndirici sistemlər TaC ilə eyni üz mərkəzli kub quruluşuna malikdir və möhkəm məhlul strukturu yaratmaq üçün iki karbid arasında sonsuz qarşılıqlı həllolma imkanı verir. Hf(Ta)C örtükləri çatlamaz və C/C kompozit materiallarla yaxşı yapışma nümayiş etdirir. Bu örtüklər əla yanma müqavimətinə malikdir. Qradient örtüklər, örtük komponentlərinin qalınlığı boyunca davamlı gradient paylanması olan örtüklərə aiddir. Bu struktur daxili gərginliyi azalda bilər, istilik genişlənmə əmsalı uyğunlaşma məsələlərini yaxşılaşdıra və çatların əmələ gəlməsinin qarşısını ala bilər.

5. Tantal Karbid Kaplama Cihazı Məhsulları

QYR (Hengzhou Bozhi) statistika və proqnozlarına görə, qlobal satışTantal karbid örtükləri2021-ci ildə 1,5986 milyon ABŞ dollarına çatdı (Cree-nin özünün istehsal etdiyi Tantal Karbid örtük cihazı məhsulları istisna olmaqla), bu, sənayenin hələ inkişafın ilk mərhələlərində olduğunu göstərir.

(1) Kristal böyüməsi üçün tələb olunan genişləndirici halqalar və tigelər:Müəssisə başına 200 kristal artım sobası əsasında hesablanır, bazar payıTaC örtüyü30 kristal artım şirkətinin tələb etdiyi cihaz təxminən 4,7 milyard RMB-dir.

(2) TaC qabları:Hər bir nimçə 3 vafli daşıya bilər, hər nimçənin istifadə müddəti 1 aydır. Hər 100 vafli bir qab istehlak edir. 3 milyon vafli 30.000 tələb edirTaC qabları, hər nimçədə təxminən 20.000 ədəd var ki, bu da ildə təxminən 6 milyard təşkil edir.

(3) Digər dekarbonizasiya ssenariləri.Yüksək temperaturlu soba astarları, CVD burunları, soba boruları və s. üçün təxminən 1 mlrd.**