Praegu domineerib pooljuhtide kolmas põlvkondränikarbiid. Seadmete kulustruktuuris moodustab substraat 47% ja epitaksia 23%. Need kaks koos moodustavad umbes 70%, mis on kõige olulisem osaränikarbiidseadmeid tootva tööstuse kett.
Tavaliselt kasutatav valmistamisviisränikarbiidmonokristallid on PVT (füüsilise aurutranspordi) meetod. Põhimõte on teha toorainet kõrge temperatuuriga tsoonis ja idukristalli suhteliselt madala temperatuuriga tsoonis. Kõrgema temperatuuriga tooraine laguneb ja toodab otseselt gaasifaasi aineid ilma vedela faasita. Need gaasifaasilised ained transporditakse idukristallidele aksiaalse temperatuurigradiendi jõul ning tuumastuvad ja kasvavad idukristallidel, moodustades ränikarbiidi monokristallid. Praegu kasutavad seda meetodit välismaised ettevõtted, nagu Cree, II-VI, SiCrystal, Dow ja kodumaised ettevõtted, nagu Tianyue Advanced, Tianke Heda ja Century Golden Core.
Ränikarbiidil on rohkem kui 200 kristallivormi ja vajaliku monokristallivormi genereerimiseks on vaja väga täpset juhtimist (peavool on 4H kristallivorm). Tianyue Advancedi prospekti kohaselt olid ettevõtte kristallvarraste saagised aastatel 2018-2020 ja 2021. aasta I poolaastal vastavalt 41%, 38,57%, 50,73% ja 49,90% ning substraadi saagised vastavalt 72,61%, 75,15% ja 7% .4% 70,44% ja 70,4%. Üldtootlus on hetkel vaid 37,7%. Võttes näiteks peavoolu PVT-meetodi, on madal saagis peamiselt tingitud järgmistest raskustest SiC substraadi ettevalmistamisel:
1. Temperatuurivälja juhtimise raskused: SiC kristallvardaid tuleb toota kõrgel temperatuuril 2500 ℃, samal ajal kui ränikristallid vajavad ainult 1500 ℃, seega on vaja spetsiaalseid monokristallahjusid ja kasvutemperatuuri tuleb tootmise ajal täpselt kontrollida. , mida on äärmiselt raske kontrollida.
2. Aeglane tootmiskiirus: traditsiooniliste ränimaterjalide kasvukiirus on 300 mm tunnis, kuid ränikarbiidi monokristallid võivad kasvada ainult 400 mikronit tunnis, mis on ligi 800-kordne erinevus.
3. Kõrged nõuded headele tooteparameetritele ja musta kasti saagist on raske ajaliselt kontrollida: SiC vahvlite põhiparameetrite hulka kuuluvad mikrotoru tihedus, dislokatsiooni tihedus, eritakistus, kõverus, pinna karedus jne. Kristallide kasvatamise protsessis vajalik selliste parameetrite nagu räni-süsiniku suhte, kasvutemperatuuri gradiendi, kristallide kasvukiiruse ja õhuvoolu rõhu täpseks reguleerimiseks. Vastasel juhul tekivad tõenäoliselt polümorfsed kandmised, mille tulemuseks on kvalifitseerimata kristallid. Grafiittiigli mustas kastis on kristallide kasvu olekut reaalajas võimatu jälgida ning vaja on väga täpset soojusvälja juhtimist, materjalide sobitamist ja kogemuste kogumist.
4. Kristallide paisumise raskused: gaasifaasi transpordimeetodi korral on ränikarbiidi kristallide kasvu laiendamise tehnoloogia äärmiselt keeruline. Kristalli suuruse kasvades suureneb selle kasvuraskus eksponentsiaalselt.
5. Üldiselt madal saagis: madal saagis koosneb peamiselt kahest lülist: (1) Kristallvarda saagis = pooljuhtkvaliteediga kristallvarda väljund/(pooljuhtkvaliteediga kristallvarda väljund + mittepooljuhtkvaliteediga kristallvarda väljund) × 100%; (2) Substraadi saagis = kvalifitseeritud substraadi väljund/(kvalifitseeritud substraadi väljund + kvalifitseerimata substraadi väljund) × 100%.
Kvaliteetse ja suure saagikusega valmistamiselränikarbiidist substraadid, südamik vajab tootmistemperatuuri täpseks juhtimiseks paremaid soojusvälja materjale. Praegu kasutatavad termoväljatiigli komplektid on peamiselt kõrge puhtusastmega grafiidist konstruktsiooniosad, mida kasutatakse süsiniku ja ränipulbri kuumutamiseks ja sulatamiseks ning sooja hoidmiseks. Grafiitmaterjalidel on kõrge eritugevus ja erimoodul, hea soojuslöögikindlus ja korrosioonikindlus, kuid nende puuduseks on kõrge temperatuuriga hapnikukeskkonnas kergesti oksüdeerumine, ammoniaagile vastupidavus ja halb kriimustuskindlus. Ränikarbiidi monokristallide kasvamise protsessis jaränikarbiidist epitaksiaalvahvTootmisel on raske täita inimeste järjest karmistavaid nõudeid grafiitmaterjalide kasutamisele, mis piirab tõsiselt selle arendamist ja praktilist rakendamist. Seetõttu on hakanud tekkima kõrgtemperatuurilised katted, näiteks tantaalkarbiid.
2. OmadusedTantaalkarbiidi kate
TaC keraamika sulamistemperatuur on kuni 3880 ℃, kõrge kõvadus (Mohsi kõvadus 9–10), suur soojusjuhtivus (22W·m-1·K−1), suur paindetugevus (340–400 MPa) ja väike soojuspaisumine. koefitsient (6,6 × 10-6K-1) ning sellel on suurepärane termokeemiline stabiilsus ja suurepärased füüsikalised omadused. Sellel on hea keemiline ühilduvus ja mehaaniline ühilduvus grafiidi ja C / C komposiitmaterjalidega. Seetõttu kasutatakse TaC-katet laialdaselt kosmoselennunduse termokaitses, monokristallide kasvatamises, energiaelektroonikas ja meditsiiniseadmetes.
TaC-kattegagrafiidil on parem keemiline korrosioonikindlus kui paljas grafiit või SiC-ga kaetud grafiit, seda saab stabiilselt kasutada kõrgel temperatuuril 2600° ja see ei reageeri paljude metallelementidega. See on parim kate kolmanda põlvkonna pooljuhtide monokristallide kasvu ja vahvlite söövitamise stsenaariumides. See võib oluliselt parandada temperatuuri ja lisandite kontrolli protsessis ja ettevalmistamiselkvaliteetsed ränikarbiidist vahvlidja seotudepitaksiaalsed vahvlid. See sobib eriti hästi GaN või AlN monokristallide kasvatamiseks MOCVD seadmega ja SiC monokristallide kasvatamiseks PVT seadmega ning kasvatatud monokristallide kvaliteet paraneb oluliselt.
III. Tantaalkarbiidiga kaetud seadmete eelised
Tantaal Carbide TaC katte kasutamine võib lahendada kristallide servade defektide probleemi ja parandada kristallide kasvu kvaliteeti. See on üks peamisi tehnilisi suundi "kasvab kiiresti, kasvab paksuks ja kasvab pikaks". Tööstusuuringud on samuti näidanud, et tantaalkarbiidiga kaetud grafiittiigel võib saavutada ühtlasema kuumutamise, pakkudes seeläbi suurepärast protsessijuhtimist SiC monokristallide kasvatamiseks, vähendades seega oluliselt polükristallilise moodustumise tõenäosust ränikarbiidi kristallide servades. Lisaks on tantaalkarbiidgrafiitkattel kaks peamist eelist:
(I) SiC defektide vähendamine
SiC monokristallide defektide kontrollimiseks on tavaliselt kolm olulist viisi. Lisaks kasvuparameetrite ja kvaliteetsete lähtematerjalide (nt SiC lähtepulber) optimeerimisele võib tantaalkarbiidiga kaetud grafiittiigli kasutamine saavutada ka hea kristallide kvaliteedi.
Tavalise grafiittiigli (a) ja TAC-kattega tiigli (b) skemaatiline diagramm
Korea Ida-Euroopa ülikooli uuringute kohaselt on ränikarbiidi kristallide kasvu peamiseks lisandiks lämmastik ja tantaalkarbiidiga kaetud grafiittiiglid võivad tõhusalt piirata ränikarbiidi kristallide lämmastiku lisamist, vähendades seeläbi defektide, näiteks mikrotorude teket ja parandades kristallide kvaliteeti. kvaliteet. Uuringud on näidanud, et samadel tingimustel on tavalistes grafiittiiglites ja TAC-kattega tiiglites kasvatatud SiC vahvlite kandja kontsentratsioonid vastavalt ligikaudu 4,5 × 1017/cm ja 7,6 × 1015/cm.
Tavalistes grafiittiiglites (a) ja TAC-kattega tiiglites (b) kasvatatud SiC monokristallide defektide võrdlus
(II) Grafiittiiglite eluea parandamine
Praegu on kõrgena püsinud SiC kristallide maksumus, millest grafiidi kulumaterjalide maksumus moodustab ca 30%. Grafiidi kulumaterjalide kulude vähendamise võti on nende kasutusea pikendamine. Briti uurimisrühma andmetel võivad tantaalkarbiidkatted pikendada grafiitkomponentide kasutusiga 30-50%. Selle arvutuse kohaselt võib ainult tantaalkarbiidiga kaetud grafiidi asendamine vähendada SiC kristallide maksumust 9–15%.
4. Tantaalkarbiidi katte valmistamise protsess
TaC-katte valmistamise meetodid võib jagada kolme kategooriasse: tahkefaasi meetod, vedelfaasi meetod ja gaasifaasi meetod. Tahkefaasi meetod hõlmab peamiselt redutseerimismeetodit ja keemilist meetodit; vedelfaasi meetod hõlmab sulasoola meetodit, sool-geelmeetodit (Sol-Gel), lobri-paagutamise meetodit, plasmapihustusmeetodit; gaasifaasi meetod hõlmab keemilist aurustamise sadestamist (CVD), keemilist aurude infiltratsiooni (CVI) ja füüsikalist aurustamise sadestamist (PVD). Erinevatel meetoditel on oma eelised ja puudused. Nende hulgas on CVD suhteliselt küps ja laialdaselt kasutatav meetod TaC-katete valmistamiseks. Protsessi pideva täiustamisega on välja töötatud uusi protsesse, nagu kuumtraadi keemiline aurustamine-sadestamine ja ioonkiirega abistatud keemiline aurustamine-sadestamine.
TaC-kattega modifitseeritud süsinikupõhised materjalid hõlmavad peamiselt grafiiti, süsinikkiudu ja süsinik/süsinik komposiitmaterjale. Grafiidil TaC-katete valmistamise meetodid hõlmavad plasmapihustamist, CVD-d, lobri paagutamist jne.
CVD-meetodi eelised: TaC-katete valmistamise CVD-meetod põhineb tantaaliallikana tantaalhalogeniidil (TaX5) ja süsinikuallikana süsivesinikul (CnHm). Teatud tingimustel lagunevad need vastavalt Ta-ks ja C-ks ning seejärel reageerivad üksteisega TaC-katte saamiseks. CVD-meetodit saab läbi viia madalamal temperatuuril, mis võib teatud määral vältida defekte ja mehaaniliste omaduste vähenemist, mis on põhjustatud pinnakatete kõrgel temperatuuril ettevalmistamisest või töötlemisest. Katte koostis ja struktuur on kontrollitavad ning selle eelisteks on kõrge puhtus, kõrge tihedus ja ühtlane paksus. Veelgi olulisem on see, et CVD abil valmistatud TaC-katete koostist ja struktuuri saab kujundada ja hõlpsasti kontrollida. See on suhteliselt küps ja laialdaselt kasutatav meetod kvaliteetsete TaC-katete valmistamiseks.
Protsessi peamised mõjutegurid on järgmised:
A. Gaasi voolukiirus (tantaaliallikas, süsivesinikgaas süsinikuallikana, kandegaas, lahjendusgaas Ar2, redutseeriv gaas H2): gaasi voolukiiruse muutusel on suur mõju temperatuuriväljale, rõhuväljale ja gaasivooluväljale reaktsioonikambrisse, mille tulemuseks on muutused katte koostises, struktuuris ja toimivuses. Ar voolukiiruse suurendamine aeglustab katte kasvukiirust ja vähendab tera suurust, samas kui TaCl5, H2 ja C3H6 molaarmasside suhe mõjutab katte koostist. H2 ja TaCl5 molaarsuhe on (15-20):1, mis on sobivam. TaCl5 ja C3H6 molaarsuhe on teoreetiliselt lähedane 3:1-le. Liigne TaCl5 või C3H6 põhjustab Ta2C või vaba süsiniku moodustumist, mis mõjutab vahvli kvaliteeti.
B. Sadestamise temperatuur: mida kõrgem on sadestustemperatuur, seda kiirem on sadestuskiirus, seda suurem on tera suurus ja seda karedam on kate. Lisaks on süsivesinike C-ks lagunemise ja TaCl5 lagunemise Ta-ks temperatuur ja kiirus erinev ning Ta ja C moodustavad tõenäolisemalt Ta2C. Temperatuuril on suur mõju TaC-kattega modifitseeritud süsinikmaterjalidele. Sadestustemperatuuri tõustes suureneb sadestumise kiirus, osakeste suurus ja osakeste kuju muutub sfäärilisest mitmetahuliseks. Lisaks, mida kõrgem on sadestustemperatuur, seda kiirem on TaCl5 lagunemine, seda vähem on vaba C, seda suurem on katte pinge ja kergesti tekivad praod. Kuid madal sadestamistemperatuur toob kaasa madalama katte sadestamise efektiivsuse, pikema sadestamise aja ja kõrgemad toorainekulud.
C. Sadestamise rõhk: Sadestamise rõhk on tihedalt seotud materjali pinna vaba energiaga ja mõjutab gaasi viibimisaega reaktsioonikambris, mõjutades seeläbi tuuma moodustumise kiirust ja katte osakeste suurust. Sadestumisrõhu suurenedes pikeneb gaasi viibimisaeg, reagentidel on rohkem aega tuumareaktsioonide läbimiseks, reaktsioonikiirus suureneb, osakesed muutuvad suuremaks ja kate muutub paksemaks; vastupidi, sadestusrõhu vähenemisel on reaktsioonigaasi viibimisaeg lühike, reaktsioonikiirus aeglustub, osakesed muutuvad väiksemaks ja kate on õhem, kuid sadestusrõhk mõjutab katte kristallstruktuuri ja koostist vähe.
V. Tantaalkarbiidkatte arengusuund
TaC soojuspaisumistegur (6,6 × 10-6K-1) erineb mõnevõrra süsinikupõhiste materjalide, nagu grafiit, süsinikkiud ja C/C komposiitmaterjalide omast, mistõttu ühefaasilised TaC-katted võivad praguneda ja praguneda. maha kukkumas. TaC-katete ablatsiooni- ja oksüdatsioonikindluse, kõrge temperatuuri mehaanilise stabiilsuse ja kõrge temperatuuriga keemilise korrosioonikindluse edasiseks parandamiseks on teadlased viinud läbi uuringuid selliste kattesüsteemide kohta nagu komposiitkattesüsteemid, tahke lahusega täiustatud kattesüsteemid ja gradient kattesüsteemid.
Komposiitkattesüsteem on ühe kattekihi pragude sulgemiseks. Tavaliselt kantakse TaC pinnale või sisemisse kihti muid katteid, et moodustada komposiitkattesüsteem; tahket lahust tugevdaval kattesüsteemil HfC, ZrC jne on sama näokeskne kuubikujuline struktuur nagu TaC-l ja need kaks karbiidi võivad üksteises lõpmatult lahustuda, moodustades tahke lahuse struktuuri. Hf(Ta)C kate on pragudeta ja nakkub hästi C/C komposiitmaterjaliga. Kattel on suurepärane ablatsioonivastane jõudlus; gradientkatte süsteemi gradientkate viitab kattekomponendi kontsentratsioonile selle paksuse suunas. Struktuur võib vähendada sisemist pinget, parandada soojuspaisumistegurite mittevastavust ja vältida pragusid.
(II) Tantaalkarbiidist katmisseadmete tooted
QYR (Hengzhou Bozhi) statistika ja prognooside kohaselt ulatus ülemaailmne tantaalkarbiidkatte turu müük 2021. aastal 1,5986 miljoni USA dollarini (välja arvatud Cree isetoodetud ja tarnitud tantaalkarbiidiga katmisseadmete tooted) ning see on alles algusjärgus. tööstuse arengu etapid.
1. Kristallide kasvatamiseks vajalikud kristallide paisutusrõngad ja tiiglid: 200 kristallide kasvatamise ahju kohta ettevõtte kohta on 30 kristallide kasvatamise ettevõtte jaoks vajalike TaC-kattega seadmete turuosa ligikaudu 4,7 miljardit jüaani.
2. TaC kandikud: igale alusele mahub 3 vahvlit, iga alust saab kasutada 1 kuu ja iga 100 vahvli kohta kulub 1 alus. 3 miljoni vahvli jaoks on vaja 30 000 TaC alust, iga salv on umbes 20 000 tükki ja igal aastal on vaja umbes 600 miljonit.
3. Muud süsiniku vähendamise stsenaariumid. Nagu kõrge temperatuuriga ahju vooder, CVD otsik, ahju torud jne, umbes 100 miljonit.
Postitusaeg: juuli-02-2024