Şu anda, üçüncü nesil yarı iletkenler hakimdir.silisyum karbür. Cihazlarının maliyet yapısında alt katman %47, epitaksi ise %23 oranında yer alıyor. İkisi birlikte yaklaşık %70'i oluşturur ve bu da en önemli kısımdır.silisyum karbürcihaz imalat sanayi zinciri.
Hazırlamak için yaygın olarak kullanılan yöntemsilisyum karbürtek kristaller PVT (fiziksel buhar taşıma) yöntemidir. Prensip, ham maddeleri yüksek sıcaklık bölgesinde ve tohum kristalini nispeten düşük sıcaklık bölgesinde yapmaktır. Daha yüksek sıcaklıktaki hammaddeler ayrışır ve sıvı fazı olmayan doğrudan gaz fazındaki maddeleri üretir. Bu gaz fazındaki maddeler, eksenel sıcaklık gradyanının etkisi altında tohum kristaline taşınır ve tohum kristalinde çekirdekleşerek büyür ve bir silisyum karbür tekli kristali oluşturur. Şu anda Cree, II-VI, SiCrystal, Dow gibi yabancı şirketlerin yanı sıra Tianyue Advanced, Tianke Heda ve Century Golden Core gibi yerli şirketlerin tümü bu yöntemi kullanıyor.
Silisyum karbürün 200'den fazla kristal formu vardır ve gerekli tek kristal formunu oluşturmak için çok hassas kontrol gerekir (ana akım 4H kristal formudur). Tianyue Advanced'in izahnamesine göre şirketin 2018-2020 ve 2021 yılının ilk yarısındaki kristal çubuk verimleri sırasıyla %41, %38,57, %50,73 ve %49,90 olurken, substrat verimleri sırasıyla %72,61, %75,15, %70,44 ve %75,47 oldu. Kapsamlı getiri şu anda yalnızca %37,7'dir. Ana akım PVT yöntemini örnek olarak alırsak, düşük verim temel olarak SiC substrat hazırlamadaki aşağıdaki zorluklardan kaynaklanmaktadır:
1. Sıcaklık alanı kontrolünde zorluk: SiC kristal çubukların 2500°C'lik yüksek bir sıcaklıkta üretilmesi gerekirken, silikon kristallerinin yalnızca 1500°C'ye ihtiyacı vardır, bu nedenle özel tek kristal fırınlar gereklidir ve büyüme sıcaklığının üretim sırasında hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. kontrol edilmesi son derece zor olan bir durumdur.
2. Yavaş üretim hızı: Geleneksel silikon malzemelerin büyüme hızı saatte 300 mm'dir, ancak silisyum karbür tek kristalleri saatte yalnızca 400 mikron büyüyebilir, bu da aradaki farkın neredeyse 800 katıdır.
3. İyi ürün parametreleri için yüksek gereksinimler ve kara kutu veriminin zaman içinde kontrol edilmesi zordur: SiC levhaların temel parametreleri arasında mikrotüp yoğunluğu, dislokasyon yoğunluğu, direnç, çarpıklık, yüzey pürüzlülüğü vb. bulunur. Kristal büyüme süreci sırasında, silikon-karbon oranı, büyüme sıcaklığı gradyanı, kristal büyüme hızı ve hava akışı basıncı gibi parametreleri doğru bir şekilde kontrol etmek için gereklidir. Aksi takdirde, polimorfik kapanımların oluşması muhtemeldir ve bu da niteliksiz kristallerle sonuçlanır. Grafit potanın kara kutusunda, kristal büyüme durumunu gerçek zamanlı olarak gözlemlemek imkansızdır ve çok hassas termal alan kontrolü, malzeme eşleştirmesi ve deneyim birikimi gerekir.
4. Kristal genleşmesinde zorluk: Gaz fazı taşıma yöntemi altında, SiC kristal büyümesinin genleşme teknolojisi son derece zordur. Kristal boyutu arttıkça büyüme zorluğu katlanarak artar.
5. Genel olarak düşük verim: Düşük verim esas olarak iki bağlantıdan oluşur: (1) Kristal çubuk verimi = yarı iletken dereceli kristal çubuk çıkışı/(yarı iletken dereceli kristal çubuk çıkışı + yarı iletken olmayan dereceli kristal çubuk çıkışı) × %100; (2) Alt tabaka verimi = nitelikli alt tabaka çıktısı/(uygun alt tabaka çıktısı + nitelikli olmayan alt tabaka çıktısı) × %100.
Yüksek kaliteli ve yüksek verimli ürünlerin hazırlanmasındasilisyum karbür yüzeylerçekirdek, üretim sıcaklığını doğru bir şekilde kontrol etmek için daha iyi termal alan malzemelerine ihtiyaç duyar. Şu anda kullanılan termal alan pota kitleri, karbon tozunu ve silikon tozunu ısıtmak ve eritmek ve sıcak tutmak için kullanılan, esas olarak yüksek saflıkta grafit yapısal parçalardır. Grafit malzemeler yüksek spesifik mukavemet ve spesifik modül, iyi termal şok direnci ve korozyon direnci özelliklerine sahiptir, ancak yüksek sıcaklıktaki oksijen ortamlarında kolayca oksitlenme, amonyağa karşı dayanıklı olmama ve çizilmeye karşı zayıf direnç gibi dezavantajları vardır. Silisyum karbür tek kristal büyümesi sürecinde vesilisyum karbür epitaksiyel levhaÜretimde, insanların grafit malzemelerinin kullanımına yönelik giderek daha sıkı hale gelen gereksinimlerini karşılamak zordur, bu da onun gelişimini ve pratik uygulamasını ciddi şekilde kısıtlar. Bu nedenle tantal karbür gibi yüksek sıcaklığa dayanıklı kaplamalar ortaya çıkmaya başladı.
2. ÖzellikleriTantal Karbür Kaplama
TaC seramiği 3880°C'ye kadar erime noktasına, yüksek sertliğe (Mohs sertliği 9-10), büyük termal iletkenliğe (22W·m-1·K−1), büyük bükülme mukavemetine (340-400MPa) ve küçük termal genleşmeye sahiptir. katsayısı (6,6×10−6K−1) olup mükemmel termokimyasal stabilite ve mükemmel fiziksel özellikler sergiler. Grafit ve C/C kompozit malzemelerle iyi kimyasal uyumluluğa ve mekanik uyumluluğa sahiptir. Bu nedenle TaC kaplama, havacılıkta termal koruma, tek kristal büyütme, enerji elektroniği ve tıbbi ekipmanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
TaC kaplıGrafit, çıplak grafit veya SiC kaplı grafitten daha iyi kimyasal korozyon direncine sahiptir, 2600°'lik yüksek sıcaklıklarda stabil olarak kullanılabilir ve birçok metal elementle reaksiyona girmez. Üçüncü nesil yarı iletken tek kristal büyütme ve levha aşındırma senaryolarındaki en iyi kaplamadır. Prosesteki sıcaklık ve yabancı maddelerin kontrolünü önemli ölçüde iyileştirebilir ve hazırlayabiliryüksek kaliteli silisyum karbür levhalarve ilgiliepitaksiyel gofretler. MOCVD ekipmanıyla GaN veya AlN tek kristallerinin büyütülmesi ve PVT ekipmanıyla SiC tek kristallerinin büyütülmesi için özellikle uygundur ve büyütülen tek kristallerin kalitesi önemli ölçüde iyileştirilir.
III. Tantal Karbür Kaplamalı Cihazların Avantajları
Tantal Karbür TaC kaplamanın kullanılması kristal kenar kusurları sorununu çözebilir ve kristal büyümesinin kalitesini artırabilir. "Hızlı büyümek, kalınlaşmak ve uzun büyümek" temel teknik yönlerinden biridir. Endüstri araştırmaları ayrıca Tantal Karbür Kaplamalı Grafit Pota'nın daha düzgün bir ısıtma elde edebildiğini, dolayısıyla SiC tek kristal büyümesi için mükemmel proses kontrolü sağladığını, dolayısıyla SiC kristallerinin kenarında çok kristalli oluşum olasılığını önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Ayrıca Tantal Karbür Grafit Kaplamanın iki önemli avantajı vardır:
(I) SiC Kusurlarının Azaltılması
SiC tek kristal kusurlarını kontrol etmek açısından genellikle üç önemli yol vardır. Büyüme parametrelerini ve yüksek kaliteli kaynak malzemelerini (SiC kaynak tozu gibi) optimize etmenin yanı sıra, Tantal Karbür Kaplamalı Grafit Pota kullanarak iyi kristal kalitesi de elde edebilirsiniz.
Geleneksel grafit potanın (a) ve TAC kaplı potanın (b) şematik diyagramı
Kore'deki Doğu Avrupa Üniversitesi tarafından yapılan araştırmaya göre, SiC kristal büyümesindeki ana yabancı madde nitrojendir ve tantal karbür kaplı grafit potalar, SiC kristallerinin nitrojen katılımını etkili bir şekilde sınırlayabilir, böylece mikropipeler gibi kusurların oluşumunu azaltabilir ve kristali iyileştirebilir. kalite. Çalışmalar, aynı koşullar altında geleneksel grafit potalarda ve TAC kaplı potalarda büyütülen SiC gofretlerinin taşıyıcı konsantrasyonlarının sırasıyla yaklaşık 4,5×1017/cm ve 7,6×1015/cm olduğunu göstermiştir.
Geleneksel grafit potalarda (a) ve TAC kaplı potalarda (b) büyütülen SiC tek kristallerindeki kusurların karşılaştırılması
(II) Grafit potaların ömrünün uzatılması
Şu anda SiC kristallerinin maliyeti yüksek kalmıştır ve bunun yaklaşık %30'unu grafit sarf malzemelerinin maliyeti oluşturmaktadır. Grafit sarf malzemelerinin maliyetini azaltmanın anahtarı servis ömrünü arttırmaktır. İngiliz bir araştırma ekibinden elde edilen verilere göre tantal karbür kaplamalar, grafit bileşenlerin servis ömrünü %30-50 oranında uzatabilir. Bu hesaba göre, yalnızca tantal karbür kaplı grafitin değiştirilmesi SiC kristallerinin maliyetini %9-%15 oranında azaltabilir.
4. Tantal karbür kaplama hazırlama işlemi
TaC kaplama hazırlama yöntemleri üç kategoriye ayrılabilir: katı faz yöntemi, sıvı faz yöntemi ve gaz fazı yöntemi. Katı faz yöntemi temel olarak indirgeme yöntemini ve kimyasal yöntemi içerir; sıvı faz yöntemi, erimiş tuz yöntemini, sol-jel yöntemini (Sol-Gel), bulamaç sinterleme yöntemini, plazma püskürtme yöntemini içerir; gaz fazı yöntemi kimyasal buhar biriktirmeyi (CVD), kimyasal buhar infiltrasyonunu (CVI) ve fiziksel buhar biriktirmeyi (PVD) içerir. Farklı yöntemlerin kendi avantajları ve dezavantajları vardır. Bunlar arasında CVD, TaC kaplamalarının hazırlanmasında nispeten olgun ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Prosesin sürekli iyileştirilmesiyle birlikte, sıcak tel kimyasal buhar biriktirme ve iyon ışın destekli kimyasal buhar biriktirme gibi yeni prosesler geliştirilmiştir.
TaC kaplama modifiye karbon bazlı malzemeler esas olarak grafit, karbon fiber ve karbon/karbon kompozit malzemeleri içerir. Grafit üzerinde TaC kaplamaları hazırlama yöntemleri arasında plazma püskürtme, CVD, bulamaç sinterleme vb. yer alır.
CVD yönteminin avantajları: TaC kaplamaların hazırlanmasına yönelik CVD yöntemi, tantal kaynağı olarak tantal halojenüre (TaX5) ve karbon kaynağı olarak hidrokarbona (CnHm) dayanmaktadır. Belirli koşullar altında sırasıyla Ta ve C'ye ayrıştırılırlar ve daha sonra TaC kaplamaları elde etmek için birbirleriyle reaksiyona girerler. CVD yöntemi daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleştirilebilir, bu da kaplamaların yüksek sıcaklıkta hazırlanmasından veya işlenmesinden kaynaklanan kusurları ve mekanik özelliklerin azalmasını belirli bir dereceye kadar önleyebilir. Kaplamanın bileşimi ve yapısı kontrol edilebilir ve yüksek saflık, yüksek yoğunluk ve düzgün kalınlık avantajlarına sahiptir. Daha da önemlisi CVD ile hazırlanan TaC kaplamaların bileşimi ve yapısı tasarlanabiliyor ve kolaylıkla kontrol edilebiliyor. Yüksek kaliteli TaC kaplamaların hazırlanmasında nispeten olgun ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.
Süreci etkileyen temel faktörler şunlardır:
A. Gaz akış hızı (tantal kaynağı, karbon kaynağı olarak hidrokarbon gazı, taşıyıcı gaz, seyreltme gazı Ar2, indirgeyici gaz H2): Gaz akış hızındaki değişimin sıcaklık alanı, basınç alanı ve gaz akış alanı üzerinde büyük etkisi vardır. reaksiyon odası, kaplamanın bileşiminde, yapısında ve performansında değişikliklere neden olur. Ar akış hızının arttırılması, kaplama büyüme hızını yavaşlatacak ve tane boyutunu azaltacaktır; TaCl5, H2 ve C3H6'nın molar kütle oranı ise kaplama bileşimini etkileyecektir. H2'nin TaCl5'e molar oranı (15-20):1'dir ve bu daha uygundur. TaCl5'in C3H6'ya molar oranı teorik olarak 3:1'e yakındır. Aşırı TaCl5 veya C3H6, Ta2C veya serbest karbon oluşumuna neden olarak gofretin kalitesini etkileyecektir.
B. Biriktirme sıcaklığı: Biriktirme sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, biriktirme hızı o kadar hızlı olur, tane boyutu o kadar büyük olur ve kaplama o kadar pürüzlü olur. Ek olarak, hidrokarbonun C'ye ayrışmasının ve TaCl5'in Ta'ya ayrışmasının sıcaklığı ve hızı farklıdır ve Ta ve C'nin Ta2C oluşturma olasılığı daha yüksektir. TaC kaplama modifiye karbon malzemeleri üzerinde sıcaklığın büyük etkisi vardır. Biriktirme sıcaklığı arttıkça biriktirme hızı artar, parçacık boyutu artar ve parçacık şekli küreselden çokyüzlüye değişir. Ek olarak, biriktirme sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, TaCl5'in ayrışması o kadar hızlı olur, serbest C o kadar az olur, kaplamadaki gerilim o kadar büyük olur ve çatlaklar kolaylıkla oluşturulur. Bununla birlikte, düşük biriktirme sıcaklığı, daha düşük kaplama biriktirme verimliliğine, daha uzun biriktirme süresine ve daha yüksek hammadde maliyetlerine yol açacaktır.
C. Biriktirme basıncı: Biriktirme basıncı, malzeme yüzeyinin serbest enerjisiyle yakından ilişkilidir ve gazın reaksiyon odasında kalma süresini etkileyecektir, dolayısıyla kaplamanın çekirdeklenme hızını ve parçacık boyutunu etkileyecektir. Biriktirme basıncı arttıkça, gazın kalma süresi uzar, reaktanların çekirdeklenme reaksiyonlarına girmek için daha fazla zamanı olur, reaksiyon hızı artar, parçacıklar büyür ve kaplama kalınlaşır; tersine, biriktirme basıncı azaldıkça reaksiyon gazının kalış süresi kısalır, reaksiyon hızı yavaşlar, parçacıklar küçülür ve kaplama incelir, ancak biriktirme basıncının kaplamanın kristal yapısı ve bileşimi üzerinde çok az etkisi vardır.
V. Tantal karbür kaplamanın gelişme eğilimi
TaC'nin (6,6×10−6K−1) termal genleşme katsayısı, grafit, karbon fiber ve C/C kompozit malzemeler gibi karbon bazlı malzemelerden biraz farklıdır, bu da tek fazlı TaC kaplamalarını çatlamaya ve kırılmaya yatkın hale getirir. Düşmek. TaC kaplamaların aşındırma ve oksidasyon direncini, yüksek sıcaklıkta mekanik stabilitesini ve yüksek sıcaklıkta kimyasal korozyon direncini daha da geliştirmek için araştırmacılar, kompozit kaplama sistemleri, katı çözeltiyle geliştirilmiş kaplama sistemleri ve gradyan gibi kaplama sistemleri üzerinde araştırmalar yürütmüştür. kaplama sistemleri.
Kompozit kaplama sistemi tek bir kaplamanın çatlaklarını kapatmaya yöneliktir. Genellikle, bir kompozit kaplama sistemi oluşturmak için TaC'nin yüzeyine veya iç katmanına başka kaplamalar da eklenir; katı çözelti güçlendirici kaplama sistemi HfC, ZrC, vb., TaC ile aynı yüzey merkezli kübik yapıya sahiptir ve iki karbür, katı bir çözelti yapısı oluşturmak için birbiri içinde sonsuza kadar çözünebilir. Hf(Ta)C kaplama çatlaksızdır ve C/C kompozit malzemesine iyi bir yapışma özelliğine sahiptir. Kaplama mükemmel ablasyon önleme performansına sahiptir; gradyan kaplama sistemi gradyan kaplama, kalınlık yönü boyunca kaplama bileşeni konsantrasyonunu ifade eder. Yapı iç gerilimi azaltabilir, termal genleşme katsayılarının uyumsuzluğunu iyileştirebilir ve çatlakları önleyebilir.
(II) Tantal karbür kaplama cihazı ürünleri
QYR'nin (Hengzhou Bozhi) istatistik ve tahminlerine göre, 2021 yılında küresel tantal karbür kaplama pazarı satışları 1,5986 milyon ABD dolarına ulaştı (Cree'nin kendi ürettiği ve kendi tedarik ettiği tantal karbür kaplama cihazı ürünleri hariç) ve hala erken aşamadadır Endüstri gelişiminin aşamaları.
1. Kristal büyütme için gerekli kristal genleşme halkaları ve potalar: İşletme başına 200 kristal büyütme fırını baz alındığında, 30 kristal büyütme şirketinin ihtiyaç duyduğu TaC kaplı cihazların pazar payı yaklaşık 4,7 milyar yuan'dır.
2. TaC tepsileri: Her tepsi 3 adet gofret taşıyabilir, her tepsi 1 ay kullanılabilir, her 100 gofret için 1 tepsi tüketilir. 3 milyon gofret için 30.000 TaC tepsisi gerekir, her tepsi yaklaşık 20.000 parçadır ve her yıl yaklaşık 600 milyon adete ihtiyaç duyulur.
3. Diğer karbon azaltım senaryoları. Yüksek sıcaklık fırın astarı, CVD nozulu, fırın boruları vb. gibi yaklaşık 100 milyon.
Gönderim zamanı: Temmuz-02-2024