SiC Büyümesi için Çekirdek Malzeme: Tantal Karbür Kaplama

Silisyum Karbür tek kristal hazırlama için yaygın olarak kullanılan yöntem PVT (Fiziksel Buhar Taşıma) yöntemidir; burada prensip, ham maddelerin yüksek sıcaklıktaki bir bölgeye yerleştirilmesini, tohum kristalinin ise nispeten düşük sıcaklıktaki bir alana yerleştirilmesini içerir. Daha yüksek sıcaklıktaki ham maddeler ayrışır ve sıvı faza geçmeden doğrudan gaz halindeki maddeler üretir. Eksenel sıcaklık gradyanı tarafından tahrik edilen bu gaz halindeki maddeler, çekirdeklenme ve büyümenin meydana geldiği tohum kristaline taşınır ve Silisyum Karbür tekli kristallerinin kristalleşmesiyle sonuçlanır. Şu anda Cree, II-VI, SiCrystal, Dow gibi yabancı şirketler ve Tianyue Advanced, Tianke Heida ve Century Jingxin gibi yerli şirketler bu yöntemi kullanıyor.

Silisyum Karbür 200'den fazla kristal tipine sahiptir ve istenen tek kristal tipini (temel olarak 4H kristal tipi) oluşturmak için hassas kontrol gereklidir. Tianyue Advanced'in halka arz açıklamasına göre, kristal çubuk verim oranları 2018'den 2021'in ilk yarısına kadar %41, %38,57, %50,73 ve %49,90 olurken, substrat verim oranları %72,61, %75,15, %70,44 ve %75,47 oldu. genel getiri oranı şu anda yalnızca %37,7'dir. Örnek olarak ana PVT yöntemini kullanırsak, düşük verim oranı temel olarak SiC substrat hazırlamadaki aşağıdaki zorluklardan kaynaklanmaktadır:

Zor sıcaklık alanı kontrolü: SiC kristal çubukların 2500°C'de üretilmesi gerekirken Silikon kristalleri yalnızca 1500°C'ye ihtiyaç duyar, bu da özel tek kristal fırınları gerektirir. Üretim sırasında hassas sıcaklık kontrolü önemli zorluklar doğurur.

Yavaş üretim hızı: Geleneksel Silikon malzemesi saatte 300 milimetre hızla büyürken Silisyum Karbür tek kristalleri saatte yalnızca 400 mikrometre hızla büyüyebilir, bu da neredeyse 800 kat daha yavaştır.

Yüksek kaliteli parametre gerekliliği, kara kutu verim oranının gerçek zamanlı kontrolünde zorluk: SiC levhaların temel parametreleri arasında mikrotüp yoğunluğu, dislokasyon yoğunluğu, direnç, eğrilik, yüzey pürüzlülüğü vb. yer alır. Kristal büyümesi sırasında, Silikonun hassas kontrolü Karbon oranı, büyüme sıcaklığı gradyanı, kristal büyüme hızı, hava akışı basıncı vb., kalitesiz kristallerle sonuçlanan polikristalin kirlenmeyi önlemek için gereklidir. Grafit potanın kara kutusundaki kristal büyümesinin gerçek zamanlı gözlemlenmesi mümkün değildir; hassas termal alan kontrolü, malzeme eşleştirmesi ve birikmiş deneyim gerektirir.

Kristal çapının genişletilmesindeki zorluk: Gaz fazı taşıma yöntemi altında, SiC kristal büyümesine yönelik genleştirme teknolojisi, kristal boyutu arttıkça büyüme zorluğunun geometrik olarak artmasıyla birlikte önemli zorluklar ortaya çıkarır.

Genel olarak düşük verim oranı: Düşük verim oranı iki bağlantıdan oluşur - (1) Kristal çubuk verim oranı = yarı iletken dereceli kristal çubuk çıkışı / (yarı iletken dereceli kristal çubuk çıkışı + yarı iletken olmayan dereceli kristal çubuk çıkışı) × %100; (2) Alt tabaka verim oranı = nitelikli alt tabaka çıktısı / (uygun alt tabaka çıktısı + nitelikli olmayan alt tabaka çıktısı) × %100.

Yüksek kaliteli, yüksek verimli Silisyum Karbür alt tabakalar hazırlamak için, hassas sıcaklık kontrolü için iyi bir ısı alanı malzemesi gereklidir. Mevcut termal alan pota kitleri temel olarak karbon tozu ve silikon tozunun ısıtılması, eritilmesi ve izolasyon için kullanılan yüksek saflıkta grafit yapısal bileşenlerden oluşur. Grafit malzemeler üstün özgül dayanıma ve özgül modüle, termal şoka ve korozyona vb. karşı iyi bir dirence sahiptir. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıktaki oksijen ortamlarında oksidasyon, amonyak ve çizilmeye karşı zayıf direnç gibi dezavantajlara sahiptirler ve bu da onları giderek daha sıkı hale gelen gereksinimleri karşılayamaz hale getirir. Silisyum Karbür tek kristal büyütme ve epitaksiyel levha üretiminde grafit malzemelerine yönelik gereksinimler. Bu nedenle yüksek sıcaklığa dayanıklı kaplamalarTantal Karbürpopülerlik kazanıyor.

1. ÖzellikleriTantal Karbür Kaplama 

Tantal Karbür (TaC) seramiği, 3880°C'lik yüksek bir erime noktasına, yüksek sertliğe (9-10 Mohs sertliği), önemli termal iletkenliğe (22W·m-1·K−1), yüksek bükülme mukavemetine (340-400MPa) sahiptir. ) ve düşük bir termal genleşme katsayısı (6,6×10−6K−1). Grafitle iyi kimyasal ve mekanik uyumluluğun yanı sıra mükemmel termal ve kimyasal stabilite ve olağanüstü fiziksel özellikler sergiler.C/C kompozit malzemelerBu nedenle TaC kaplamalar havacılıkta termal koruma, tek kristal büyütme, enerji elektroniği, tıbbi cihazlar ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Grafit üzerine TaC kaplamaçıplak grafitten daha iyi kimyasal korozyon direncine sahiptir veyaSiC kaplı grafit2600°C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda birçok metalik elementle reaksiyona girmeden stabil olarak kullanılabilir. Üçüncü nesil yarı iletken tek kristal büyütme ve levha aşındırma için en iyi kaplama olarak kabul edilir, süreçteki sıcaklık ve safsızlık kontrolünü önemli ölçüde iyileştirerek yüksek kaliteli Silisyum Karbür levhaların ve ilgili malzemelerin üretimine yol açar.epitaksiyel gofretler. GaN veya MOCVD ekipmanının büyütülmesi için özellikle uygundur.AlN tek kristallerve SiC tek kristallerinin PVT ekipmanıyla büyütülmesi, kristal kalitesinin önemli ölçüde artmasına neden olur.

2. AvantajlarıTantal Karbür Kaplama 

Cihazların KullanımıTantal Karbür (TaC) kaplamalarkristal kenar kusuru sorunlarını çözebilir, kristal büyüme kalitesini iyileştirebilir ve "hızlı büyüme, kalın büyüme, büyük büyüme" için temel teknolojilerden biridir. Endüstri araştırmaları ayrıca TaC kaplı grafit potaların daha düzgün bir ısıtma elde edebildiğini, SiC tek kristal büyümesi için mükemmel proses kontrolü sağladığını ve böylece SiC kristal kenarlarının polikristaller oluşturma olasılığını önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Ek olarak,TaC kaplı grafit potalariki önemli avantaj sunuyor:

(1) SiC kusurlarının azaltılması SiC tek kristal kusurlarının kontrolünde tipik olarak üç önemli yol vardır; büyüme parametrelerinin optimize edilmesi ve yüksek kaliteli kaynak materyallerin kullanılması (örn.SiC kaynak tozları) ve grafit potaların değiştirilmesiTaC kaplı grafit potalarİyi kristal kalitesi elde etmek için.

Geleneksel grafit potanın (a) ve TaC kaplı potanın (b) şematik diyagramı 

Kore'deki Doğu Avrupa Üniversitesi'nin araştırmasına göre SiC kristal büyümesindeki birincil safsızlık nitrojendir.TaC kaplı grafit potalarSiC kristallerine nitrojen girişini etkili bir şekilde sınırlayabilir, böylece mikrotüpler gibi kusurların oluşumunu azaltarak kristal kalitesini artırabilir. Çalışmalar aynı koşullar altında taşıyıcı konsantrasyonununSiC gofretleriGeleneksel grafit potalarda yetiştirilen veTaC kaplı krozelersırasıyla yaklaşık 4,5×1017/cm ve 7,6×1015/cm’dir.

Geleneksel grafit pota (a) ile TaC kaplı pota (b) arasındaki SiC tek kristal büyümesindeki kusurların karşılaştırılması

(2) Grafit potaların ömrünün uzatılması Şu anda SiC kristallerinin maliyeti yüksek olmaya devam ediyor ve grafit sarf malzemeleri maliyetlerin yaklaşık %30'unu oluşturuyor. Grafit sarf malzemesi maliyetlerini azaltmanın anahtarı, hizmet ömrünü uzatmaktan geçer. İngiliz bir araştırma ekibinin verilerine göre Tantal Karbür kaplamalar, grafit bileşenlerin servis ömrünü %30-50 oranında uzatabiliyor. TaC kaplı grafit kullanılarak SiC kristallerinin maliyeti, SiC kristallerinin değiştirilmesiyle %9-%15 oranında azaltılabilir.TaC kaplı grafityalnız.

3. Tantal Karbür Kaplama Prosesi 

hazırlanmasıTaC kaplamalarüç kategoriye ayrılabilir: katı faz yöntemi, sıvı faz yöntemi ve gaz fazı yöntemi. Katı faz yöntemi temel olarak indirgeme yöntemini ve bileşik yöntemini içerir; sıvı faz yöntemi, erimiş tuz yöntemini, sol-jel yöntemini, bulamaç sinterleme yöntemini, plazma püskürtme yöntemini içerir; gaz fazı yöntemi, kimyasal buhar biriktirme (CVD), kimyasal buhar infiltrasyonu (CVI) ve fiziksel buhar biriktirme (PVD) yöntemlerini vb. içerir. Her yöntemin kendi avantajları ve dezavantajları vardır; CVD, gaz fazı için en olgun ve yaygın olarak kullanılan yöntemdir. TaC kaplamaların hazırlanması. Sürekli proses iyileştirmeleri ile sıcak tel kimyasal buhar biriktirme ve iyon ışın destekli kimyasal buhar biriktirme gibi yeni teknikler geliştirilmiştir.

TaC kaplamayla modifiye edilmiş karbon bazlı malzemeler esas olarak grafit, karbon fiberler ve karbon/karbon kompozit malzemeleri içerir. Hazırlama yöntemleriGrafit üzerinde TaC kaplamalarplazma püskürtme, CVD, bulamaç sinterleme vb. içerir.

CVD yönteminin avantajları: HazırlanmasıTaC kaplamalarCVD aracılığıylatantal kaynağı olarak tantal halojenürler (TaX5) ve karbon kaynağı olarak hidrokarbonlar (CnHm). Belirli koşullar altında bu malzemeler Ta ve C'ye ayrışır ve bunlar da reaksiyona girerekTaC kaplamalar. CVD daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir, böylece yüksek sıcaklıkta kaplama hazırlığı veya işlemi sırasında ortaya çıkabilecek kusurlar ve mekanik özelliklerin azalması önlenir. Kaplamaların bileşimi ve yapısı, yüksek saflık, yüksek yoğunluk ve eşit kalınlık sunan CVD ile kontrol edilebilir. Daha da önemlisi CVD, yüksek kaliteli TaC kaplamaların hazırlanması için olgun ve yaygın olarak benimsenmiş bir yöntem sağlar.kolayca kontrol edilebilir bileşim ve yapı.

Süreci etkileyen temel faktörler şunlardır:

(1) Gaz akış hızları (tantal kaynağı, karbon kaynağı olarak hidrokarbon gazı, taşıyıcı gaz, seyreltici gaz Ar2, indirgeyici gaz H2):Gaz akış hızlarındaki değişiklikler reaksiyon odasındaki sıcaklığı, basıncı ve gaz akış alanını önemli ölçüde etkileyerek kaplama bileşiminde, yapısında ve özelliklerinde değişikliklere yol açar. Ar akışının arttırılması, kaplamanın büyüme hızını yavaşlatacak ve tane boyutunu küçültecektir; TaCl5, H2 ve C3H6'nın molar kütle oranı ise kaplama bileşimini etkileyecektir. H2'nin TaCl5'e molar oranı en uygun olanıdır (15-20):1 ve TaCl5'in C3H6'ya molar oranı ideal olarak 3:1'e yakındır. Aşırı TaCl5 veya C3H6, Ta2C veya serbest Karbon oluşumuna yol açarak levha kalitesini etkileyebilir.

(2) Biriktirme sıcaklığı:Daha yüksek biriktirme sıcaklıkları daha hızlı biriktirme oranlarına, daha büyük tane boyutlarına ve daha kaba kaplamalara yol açar. Ek olarak, hidrokarbonların C'ye ve TaCl5'in Ta'ya ayrışma sıcaklıkları ve oranları farklıdır, bu da Ta2C'nin daha kolay oluşmasına yol açar. Sıcaklığın, TaC kaplamayla modifiye edilmiş karbon malzemesi üzerinde önemli bir etkisi vardır; daha yüksek sıcaklıklar, biriktirme oranlarını, tanecik boyutlarını artırır ve küresel şekillerden çokyüzlü şekillere dönüşür. Ayrıca, yüksek sıcaklıklar TaCl5 ayrışmasını hızlandırır, serbest Karbonu azaltır, kaplamalardaki iç gerilimi artırır ve çatlamaya neden olabilir. Bununla birlikte, daha düşük biriktirme sıcaklıkları, kaplama biriktirme verimliliğini azaltabilir, biriktirme süresini uzatabilir ve hammadde maliyetlerini artırabilir.

(3) Biriktirme basıncı:Biriktirme basıncı, malzemelerin yüzey serbest enerjisiyle yakından ilişkilidir ve gazların reaksiyon odasında kalma süresini etkiler, dolayısıyla kaplamaların çekirdeklenme hızını ve tane boyutunu etkiler. Biriktirme basıncı arttıkça, gazın kalma süresi uzar, reaktantlara çekirdeklenme reaksiyonları için daha fazla zaman tanır, reaksiyon hızları artar, taneler büyür ve kaplamalar kalınlaşır. Tersine, biriktirme basıncının düşürülmesi gazın kalma süresini azaltır, reaksiyon hızlarını yavaşlatır, tane boyutunu küçültür, kaplamaları inceltir, ancak biriktirme basıncının kaplamaların kristal yapısı ve bileşimi üzerinde minimum etkisi vardır.

4. Tantal Karbür Kaplama Geliştirmedeki Eğilimler 

TaC'nin (6,6×10−6K−1) termal genleşme katsayısı, grafit, karbon fiberler, C/C kompozit malzemeler gibi karbon bazlı malzemelerinkinden biraz farklıdır ve tek fazlı TaC kaplamaların kolayca çatlamasına veya katmanlara ayrılmasına neden olur. TaC kaplamaların oksidasyon direncini, yüksek sıcaklıkta mekanik stabilitesini ve kimyasal korozyon direncini daha da geliştirmek için araştırmacılar,kompozit kaplamalar, katı çözelti güçlendirici kaplamalar, degrade kaplamalar, vesaire.

Kompozit kaplamalar, TaC'nin yüzeyine veya iç katmanlarına ek kaplamalar yerleştirerek tekli kaplamalardaki çatlakları kapatır ve kompozit kaplama sistemleri oluşturur. HfC, ZrC vb. gibi katı çözelti güçlendirme sistemleri, TaC ile aynı yüzey merkezli kübik yapıya sahiptir ve katı bir çözelti yapısı oluşturmak için iki karbür arasında sonsuz karşılıklı çözünürlük sağlar. Hf(Ta)C kaplamalar çatlaksızdır ve C/C kompozit malzemelerle iyi yapışma sergiler. Bu kaplamalar mükemmel yanma direnci sunar. Gradyan kaplamalar, kaplama bileşenlerinin kalınlıkları boyunca sürekli gradyan dağılımına sahip kaplamaları ifade eder. Bu yapı iç gerilimi azaltabilir, termal genleşme katsayısı eşleştirme sorunlarını iyileştirebilir ve çatlak oluşumunu önleyebilir.

5. Tantal Karbür Kaplama Cihazı Ürünleri

QYR (Hengzhou Bozhi) istatistik ve tahminlerine göre küresel satışlarTantal Karbür kaplamalar2021'de 1,5986 milyon ABD dolarına ulaştı (Cree'nin kendi ürettiği Tantal Karbür kaplama cihazı ürünleri hariç), bu da sektörün hâlâ gelişimin erken aşamalarında olduğunu gösteriyor.

(1) Kristal büyümesi için gerekli genleşme halkaları ve potalar:İşletme başına 200 kristal yetiştirme fırını baz alınarak hesaplanan pazar payıTaC kaplama30 kristal yetiştirme şirketinin ihtiyaç duyduğu cihazın maliyeti yaklaşık 4,7 milyar RMB'dir.

(2) TaC tepsileri:Her tepsi, tepsi başına 1 aylık kullanım ömrüne sahip 3 adet gofret taşıyabilir. Her 100 gofret bir tepsi tüketir. 3 milyon gofret için 30.000 adet gerekirTaC tepsileriHer tepside yaklaşık 20.000 parça bulunur ve bu da yılda yaklaşık 6 milyar parça anlamına gelir.

(3) Diğer karbondan arındırma senaryoları.Yüksek sıcaklık fırın astarları, CVD nozulları, fırın boruları vb. için yaklaşık 1 milyar.**