Nuntempe, la tria generacio de duonkonduktaĵoj estas regata desiliciokarbido. En la koststrukturo de ĝiaj aparatoj, la substrato respondecas pri 47%, kaj la epitaksio respondecas pri 23%. La du kune okupas ĉirkaŭ 70%, kio estas la plej grava parto de lasiliciokarbidoindustriĉeno de fabrikado de aparatoj.
La kutime uzata metodo por preparisiliciokarbidoununuraj kristaloj estas la PVT (fizika vaportransporto) metodo. La principo estas fari la krudaĵojn en alta temperatura zono kaj la seman kristalon en relative malalta temperaturo. La krudaĵoj ĉe pli alta temperaturo malkomponiĝas kaj rekte produktas gasfazajn substancojn sen likva fazo. Tiuj gasfazaj substancoj estas transportitaj al la semkristalo sub la veturado de la aksa temperaturgradiento, kaj nukleiĝas kaj kreskas ĉe la semkristalo por formi siliciokarburan ununuran kristalon. Nuntempe eksterlandaj kompanioj kiel Cree, II-VI, SiCrystal, Dow kaj enlandaj kompanioj kiel Tianyue Advanced, Tianke Heda kaj Century Golden Core ĉiuj uzas ĉi tiun metodon.
Estas pli ol 200 kristalaj formoj de siliciokarbido, kaj tre preciza kontrolo estas postulata por generi la postulatan ununuran kristalan formon (la ĉefa fluo estas 4H-kristala formo). Laŭ la prospekto de Tianyue Advanced, la rendimentoj de la kristala bastono de la firmao en 2018-2020 kaj H1 2021 estis 41%, 38.57%, 50.73% kaj 49.90% respektive, kaj la substratrendimentoj estis 72.61%, 75.705%, 75.705%, 75.704% respektive. La ampleksa rendimento estas nuntempe nur 37.7%. Prenante la ĉefan PVT-metodon kiel ekzemplon, la malalta rendimento estas plejparte pro la sekvaj malfacilaĵoj en SiC-substratopreparo:
1. Malfacileco en temperaturkampa kontrolo: SiC-kristalaj bastonoj devas esti produktitaj je alta temperaturo de 2500℃, dum siliciaj kristaloj bezonas nur 1500℃, do necesas specialaj unukristalaj fornoj, kaj la kreskotemperaturo devas esti precize kontrolita dum produktado. , kiu estas ege malfacile kontroli.
2. Malrapida produktada rapideco: La kreskorapideco de tradiciaj siliciaj materialoj estas 300 mm hore, sed siliciokarburaj unukristaloj povas nur kreski 400 mikronojn hore, kio estas preskaŭ 800 fojojn la diferenco.
3. Altaj postuloj por bonaj produktaj parametroj, kaj nigra skatolo-rendimento estas malfacile kontroli en tempo: La kernaj parametroj de SiC-oblatoj inkluzivas mikrotuban densecon, dislokigan densecon, resistivecon, varpiĝon, surfacan krudecon, ktp. Dum la kristala kresko procezo, ĝi estas necesas precize kontroli parametrojn kiel silicio-karbona rilatumo, kreskotemperaturgradiento, kristala kreskorapideco kaj aerflua premo. Alie, polimorfaj inkludoj verŝajne okazos, rezultigante nekvalifikitajn kristalojn. En la nigra skatolo de la grafita fandujo, estas neeble observi la kristalan kreskostatuson en reala tempo, kaj tre preciza termika kampokontrolo, materiala kongruo kaj sperto-amasiĝo estas postulataj.
4. Malfacilo en kristala ekspansio: Sub la gasfaza transportmetodo, la ekspansia teknologio de SiC-kristala kresko estas ege malfacila. Ĉar la kristalgrandeco pliiĝas, ĝia kreskmalfacilo pliiĝas eksponente.
5. Ĝenerale malalta rendimento: Malalta rendimento estas ĉefe kunmetita de du ligiloj: (1) Kristala bastono-rendimento = duonkonduktaĵo-grada kristala verga eligo/(semikonduktaĵo-grada kristala verga eligo + ne-semikonduktaĵo-grada kristala eligo) × 100%; (2) Substrato-rendimento = kvalifikita substrata eligo/(kvalifikita substrata eligo + nekvalifikita substrata eligo) × 100%.
En la preparado de altkvalita kaj altkvalitasilicikarburaj substratoj, la kerno bezonas pli bonajn termokampajn materialojn por precize kontroli la produktadotemperaturon. La aktuale uzataj termikaj kampa fandujo estas ĉefe altpuraj grafitaj strukturaj partoj, kiuj estas uzataj por varmigi kaj fandi karbonan pulvoron kaj silician pulvoron kaj varmiĝi. Grafitaj materialoj havas la karakterizaĵojn de alta specifa forto kaj specifa modulo, bona termika ŝoko-rezisto kaj koroda rezisto, sed ili havas la malavantaĝojn esti facile oksigenitaj en alt-temperaturaj oksigenaj medioj, ne imunaj al amoniako, kaj malbona skrapa rezisto. En la procezo de silicio-karburo ununura kristala kresko kajsilicio-karburo epitaksa oblatoproduktado, estas malfacile plenumi la ĉiam pli striktajn postulojn de homoj por la uzo de grafitaj materialoj, kiu serioze limigas ĝian disvolviĝon kaj praktikan aplikon. Tial, alt-temperaturaj tegaĵoj kiel ekzemple tantala karbido komencis aperi.
2. Karakterizaĵoj deTantala Karbura Tegaĵo
TaC-ceramikaĵo havas frostopunkton de ĝis 3880 ℃, altan malmolecon (Mohs-malmoleco 9-10), grandan varmokonduktecon (22W·m-1·K−1), grandan flekseblan forton (340-400MPa), kaj malgrandan termikan ekspansion. koeficiento (6.6×10−6K−1), kaj elmontras bonegan termokemian stabilecon kaj bonegajn fizikajn trajtojn. Ĝi havas bonan kemian kongruecon kaj mekanikan kongruon kun grafito kaj C/C kunmetitaj materialoj. Tial, TaC-tegaĵo estas vaste uzata en aerospaca termika protekto, ununura kristala kresko, energia elektroniko kaj medicina ekipaĵo.
TaC-tegitagrafito havas pli bonan kemian korodan reziston ol nuda grafito aŭ SiC-tegita grafito, povas esti uzata stabile ĉe altaj temperaturoj de 2600°, kaj ne reagas kun multaj metalaj elementoj. Ĝi estas la plej bona tegaĵo en la triageneracia semikonduktaĵa unukristala kresko kaj oblataj akvafortaj scenaroj. Ĝi povas signife plibonigi la kontrolon de temperaturo kaj malpuraĵoj en la procezo kaj preparialtkvalitaj silicikarburaj oblatojkaj rilatajepitaksaj oblatoj. Ĝi estas speciale taŭga por kreskigi GaN aŭ AlN unuopaj kristaloj kun MOCVD-ekipaĵo kaj kreskigado de SiC-unuopaj kristaloj kun PVT-ekipaĵo, kaj la kvalito de la kreskigitaj ununuraj kristaloj estas signife plibonigita.
III. Avantaĝoj de Tantalum Carbide Tegita Aparatoj
La uzo de tegaĵo de Tantalum Carbide TaC povas solvi la problemon de kristalaj randaj difektoj kaj plibonigi la kvaliton de kristala kresko. Ĝi estas unu el la kernaj teknikaj direktoj "rapide kreski, dika kaj longe kreski". Industriesplorado ankaŭ montris, ke Tantala Karburo Tegita Grafito Crucible povas atingi pli unuforman hejton, tiel disponigante bonegan procezan kontrolon por SiC-unukristala kresko, tiel signife reduktante la probablecon de polikristalina formado ĉe la rando de SiC-kristaloj. Krome, Tantalum Carbide Graphite Coating havas du ĉefajn avantaĝojn:
(I) Reduktante SiC-Difektojn
Laŭ kontrolado de SiC unukristalaj difektoj, ekzistas kutime tri gravaj manieroj. Krom optimumigo de kreskaj parametroj kaj altkvalitaj fontomaterialoj (kiel SiC-fontopulvoro), uzi Tantalan Carbide Coated Graphite Crucible ankaŭ povas atingi bonan kristalan kvaliton.
Skema diagramo de konvencia grafita fandujo (a) kaj TAC kovrita fandujo (b)
Laŭ esplorado de la Universitato de Orienta Eŭropo en Koreio, la ĉefa malpureco en SiC kristala kresko estas nitrogeno, kaj tantala karbido kovrita grafito krisolo povas efike limigi la nitrogeno enkorpiĝo de SiC-kristaloj, tiel reduktante la generacio de difektoj kiel mikropipoj kaj plibonigo de kristalo. kvalito. Studoj montris, ke sub la samaj kondiĉoj, la portantaj koncentriĝoj de SiC-oblatoj kreskigitaj en konvenciaj grafitaj krisoloj kaj TAC-tegitaj krisoloj estas proksimume 4.5×1017/cm kaj 7.6×1015/cm, respektive.
Komparo de difektoj en SiC unukristaloj kreskigitaj en konvenciaj grafitaj fanduloj (a) kaj TAC-tegitaj krisoloj (b)
(II) Plibonigi la vivon de grafitaj krisoloj
Nuntempe, la kosto de SiC-kristaloj restis alta, el kiuj la kosto de grafitaj konsumeblaj konsistigas ĉirkaŭ 30%. La ŝlosilo por redukti la koston de grafitaj konsumaĵoj estas pliigi ĝian funkcidaŭron. Laŭ datumoj de brita esplorteamo, tantalaj karburaj tegaĵoj povas plilongigi la funkcidaŭron de grafitaj komponantoj je 30-50%. Laŭ ĉi tiu kalkulo, nur anstataŭigi la tantalan karburon kovritan grafiton povas redukti la koston de SiC-kristaloj je 9%-15%.
4. Tantalo-karbura tega preparprocezo
TaC-tegaĵaj preparmetodoj povas esti dividitaj en tri kategoriojn: solidfaza metodo, likva faza metodo kaj gasfaza metodo. La solidfaza metodo ĉefe inkluzivas reduktan metodon kaj kemian metodon; la metodo de likva fazo inkluzivas metodon de fandita salo, metodo de sol-ĝelo (Sol-Gel), metodo de slurry-sintering, metodo de ŝpruciga plasmo; la gasfaza metodo inkluzivas kemian vapordemetadon (CVD), kemian vaporinfiltradon (CVI) kaj fizikan vapordemetadon (PVD). Malsamaj metodoj havas siajn proprajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn. Inter ili, CVD estas relative matura kaj vaste uzata metodo por prepari TaC-tegaĵojn. Kun la kontinua plibonigo de la procezo, novaj procezoj kiel varmdrata kemia vapordemetado kaj jona radio helpita kemia vapordemetado estis evoluigitaj.
TaC-tegaĵo modifitaj karbon-bazitaj materialoj ĉefe inkluzivas grafiton, karbonfibron kaj karbon/karbon-kunmetitajn materialojn. La metodoj por preparado de TaC-tegaĵoj sur grafito inkludas plasmoŝprucigadon, CVD, suspension-sinterigadon, ktp.
Avantaĝoj de CVD-metodo: La CVD-metodo por preparado de TaC-tegaĵoj estas bazita sur tantalalogenuro (TaX5) kiel tantala fonto kaj hidrokarbido (CnHm) kiel karbonfonto. Sub certaj kondiĉoj, ili estas malkomponitaj en Ta kaj C respektive, kaj tiam reagas unu kun la alia por akiri TaC-tegaĵojn. La CVD-metodo povas esti efektivigita ĉe pli malalta temperaturo, kio povas eviti difektojn kaj reduktitajn mekanikajn ecojn kaŭzitajn de alt-temperatura preparado aŭ traktado de tegaĵoj en certa mezuro. La konsisto kaj strukturo de la tegaĵo estas kontroleblaj, kaj ĝi havas la avantaĝojn de alta pureco, alta denseco kaj unuforma dikeco. Pli grave, la konsisto kaj strukturo de TaC-tegaĵoj preparitaj de CVD povas esti dezajnitaj kaj facile kontrolitaj. Ĝi estas relative matura kaj vaste uzata metodo por prepari altkvalitajn TaC-tegaĵojn.
La kernaj influfaktoroj de la procezo inkluzivas:
A. Gasa flukvanto (tantala fonto, hidrokarbona gaso kiel karbona fonto, portanta gaso, dilua gaso Ar2, reduktanta gaso H2): La ŝanĝo de gasa fluo havas grandan influon sur la temperatura kampo, prema kampo kaj gasflua kampo en la reagĉambro, rezultigante ŝanĝojn en la kunmetaĵo, strukturo kaj rendimento de la tegaĵo. Pliigi la Ar-fluan rapidecon malrapidigos la tegan kreskorapidecon kaj reduktos la grajngrandecon, dum la molara masproporcio de TaCl5, H2, kaj C3H6 influas la tegaĵkonsiston. La molara proporcio de H2 al TaCl5 estas (15-20):1, kio estas pli taŭga. La molara proporcio de TaCl5 al C3H6 estas teorie proksima al 3:1. Troa TaCl5 aŭ C3H6 kaŭzos la formadon de Ta2C aŭ libera karbono, influante la kvaliton de la oblato.
B. Demettemperaturo: Ju pli alta la depontemperaturo, des pli rapida la depona indico, des pli granda la grajna grandeco, kaj des pli malglata la tegaĵo. Krome, la temperaturo kaj rapideco de hidrokarbona putriĝo en C kaj TaCl5 putriĝo en Ta estas malsamaj, kaj Ta kaj C pli verŝajne formas Ta2C. Temperaturo havas grandan influon sur TaC tegantaj modifitajn karbonmaterialojn. Ĉar la depontemperaturo pliiĝas, la deponofteco pliiĝas, la partiklograndeco pliiĝas, kaj la partikloformo ŝanĝiĝas de sfera al pluredra. Krome, ju pli alta estas la demettemperaturo, des pli rapida la putriĝo de TaCl5, des malpli libera C estos, des pli granda la streso en la tegaĵo, kaj fendoj estos facile generitaj. Tamen, malalta depontemperaturo kondukos al pli malalta tegaĵa depona efikeco, pli longa depontempo, kaj pli altaj krudmaterialaj kostoj.
C. Depona premo: Depona premo estas proksime rilata al la libera energio de la materiala surfaco kaj influos la gasan restadtempon en la reakcia ĉambro, tiel influante la nukleigan rapidon kaj partiklan grandecon de la tegaĵo. Ĉar la depona premo pliiĝas, la gasa loĝtempo plilongiĝas, la reakciantoj havas pli da tempo por suferi nukleajn reagojn, la reakcia rapideco pliiĝas, la partikloj fariĝas pli grandaj kaj la tegaĵo fariĝas pli dika; inverse, ĉar la depona premo malpliiĝas, la reakcia gasa restadtempo estas mallonga, la reakcia rapideco malrapidiĝas, la eroj fariĝas pli malgrandaj, kaj la tegaĵo estas pli maldika, sed la depona premo havas malmulte da efiko sur la kristala strukturo kaj konsisto de la tegaĵo.
V. Evolua tendenco de tantala karbura tegaĵo
La termika disvastiĝokoeficiento de TaC (6.6×10−6K−1) estas iom diferenca de tiu de karbon-bazitaj materialoj kiel ekzemple grafito, karbonfibro, kaj C/C-kunmetitaj materialoj, kiu igas unufazajn TaC-tegaĵojn emaj al krakado kaj defalante. Por plu plibonigi la ablacion kaj oksigenadreziston, alt-temperaturan mekanikan stabilecon kaj alt-temperaturan kemian korodan reziston de TaC-tegaĵoj, esploristoj faris esploradon pri tegsistemoj kiel kunmetaĵaj tegsistemoj, solidaj solv-plifortigitaj tegsistemoj kaj gradiento. tegsistemoj.
La kunmetaĵa tegsistemo devas fermi la fendojn de ununura tegaĵo. Kutime, aliaj tegaĵoj estas enkondukitaj en la surfacon aŭ internan tavolon de TaC por formi kunmetitan tegsistemon; la solida solvaĵo plifortiga tegsistemo HfC, ZrC, ktp havas la saman vizaĝ-centrigitan kuban strukturon kiel TaC, kaj la du karburoj povas esti senfine solvebla en unu la alian por formi solidan solvstrukturon. La Hf(Ta)C-tegaĵo estas senfenda kaj havas bonan adheron al la C/C-kompona materialo. La tegaĵo havas bonegan kontraŭ-ablacion; la gradienta tega sistemo gradienta tegaĵo rilatas al la tega komponanto koncentriĝo laŭ ĝia dikeco direkto. La strukturo povas redukti internan streson, plibonigi la miskongruon de termikaj ekspansiokoeficientoj kaj eviti fendojn.
(II) Tantala karburo tegantaj aparatoproduktoj
Laŭ la statistiko kaj antaŭvidoj de QYR (Hengzhou Bozhi), la tutmonda vendado de la merkata tegaĵo de tantala karburo en 2021 atingis 1,5986 milionojn da usonaj dolaroj (ekskludante la memproduktitajn kaj memprovizajn produktojn de la tegaĵoj de tantala karburo de Cree), kaj ĝi estas ankoraŭ en la frua komenco. stadioj de industrievoluo.
1. Kristalaj ekspansiaj ringoj kaj krisoloj necesaj por kristala kresko: Surbaze de 200 kristalkreskaj fornoj per entrepreno, la merkatparto de TaC kovritaj aparatoj postulataj de 30 kristalaj kreskaj kompanioj estas ĉirkaŭ 4,7 miliardoj da juanoj.
2. TaC-pletoj: Ĉiu pleto povas porti 3 oblatojn, ĉiu pleto povas esti uzata dum 1 monato, kaj 1 pleto estas konsumita por ĉiu 100 oblatoj. 3 milionoj da oblatoj postulas 30,000 TaC-pletojn, ĉiu pleto estas proksimume 20,000 pecoj, kaj proksimume 600 milionoj estas bezonataj ĉiujare.
3. Aliaj scenaroj de karbono-redukto. Kiel alt-temperatura forno tegaĵo, CVD-ajuto, forno-tuboj, ktp., ĉirkaŭ 100 milionoj.
Afiŝtempo: Jul-02-2024