Bahan Teras untuk Pertumbuhan SiC: Salutan Tantalum Carbide

Kaedah yang biasa digunakan untuk penyediaan kristal tunggal Silicon Carbide ialah kaedah PVT (Physical Vapor Transport), di mana prinsipnya melibatkan meletakkan bahan mentah dalam zon suhu tinggi, manakala kristal benih berada di kawasan suhu yang agak rendah. Bahan mentah pada suhu yang lebih tinggi terurai, menghasilkan bahan gas secara langsung tanpa melalui fasa cecair. Bahan-bahan gas ini, didorong oleh kecerunan suhu paksi, diangkut ke kristal benih, di mana nukleasi dan pertumbuhan berlaku, mengakibatkan penghabluran kristal tunggal Silicon Carbide. Pada masa ini, syarikat asing seperti Cree, II-VI, SiCrystal, Dow dan syarikat domestik seperti Tianyue Advanced, Tianke Heida dan Century Jingxin menggunakan kaedah ini.

Silicon Carbide mempunyai lebih 200 jenis kristal, dan kawalan yang tepat diperlukan untuk menghasilkan jenis kristal tunggal yang dikehendaki (terutamanya jenis kristal 4H). Menurut pendedahan IPO Tianyue Advanced, kadar hasil rod kristal ialah 41%, 38.57%, 50.73%, dan 49.90% dari 2018 hingga H1 2021, manakala kadar hasil substrat ialah 72.61%, 75.15%, 70.7%, 75.15%, 70.7%. kadar hasil keseluruhan hanya 37.7% pada masa ini. Menggunakan kaedah PVT arus perdana sebagai contoh, kadar hasil yang rendah disebabkan terutamanya oleh kesukaran berikut dalam penyediaan substrat SiC:

Kawalan medan suhu yang sukar: Rod kristal SiC perlu dihasilkan pada 2500°C, manakala kristal silikon hanya memerlukan 1500°C, memerlukan relau kristal tunggal khas. Kawalan suhu yang tepat semasa pengeluaran menimbulkan cabaran yang ketara.

Kelajuan pengeluaran yang perlahan: Bahan Silikon Tradisional berkembang pada kadar 300 milimeter sejam, manakala kristal tunggal Silikon Karbida hanya boleh berkembang pada 400 mikrometer sejam, hampir 800 kali lebih perlahan.

Keperluan parameter berkualiti tinggi, kesukaran dalam kawalan masa nyata kadar hasil kotak hitam: Parameter teras wafer SiC termasuk ketumpatan mikrotube, ketumpatan terkehel, kerintangan, kelengkungan, kekasaran permukaan, dll. Semasa pertumbuhan kristal, kawalan tepat bagi Silikon- nisbah kepada-Karbon, kecerunan suhu pertumbuhan, kadar pertumbuhan kristal, tekanan aliran udara, dsb., adalah penting untuk mengelakkan pencemaran polihablur, mengakibatkan kristal tidak layak. Pemerhatian masa nyata pertumbuhan kristal dalam kotak hitam bekas grafit tidak dapat dilaksanakan, memerlukan kawalan medan haba yang tepat, padanan bahan dan pengalaman terkumpul.

Kesukaran dalam pengembangan diameter kristal: Di bawah kaedah pengangkutan fasa gas, teknologi pengembangan untuk pertumbuhan kristal SiC menimbulkan cabaran yang ketara, dengan kesukaran pertumbuhan meningkat secara geometri apabila saiz kristal meningkat.

Kadar hasil rendah umumnya: Kadar hasil rendah terdiri daripada dua pautan - (1) Kadar hasil rod kristal = keluaran rod kristal gred semikonduktor / (output rod kristal gred semikonduktor + keluaran rod kristal bukan gred semikonduktor) × 100%; (2) Kadar hasil substrat = output substrat layak / (output substrat layak + output substrat tidak layak) × 100%.

Untuk menyediakan substrat Silikon Karbida berkualiti tinggi dan hasil tinggi, bahan medan haba yang baik adalah penting untuk kawalan suhu yang tepat. Kit pijar medan haba semasa terutamanya terdiri daripada komponen struktur grafit ketulenan tinggi, yang digunakan untuk pemanasan, pencairan serbuk Karbon dan serbuk Silikon, dan penebat. Bahan grafit mempunyai kekuatan khusus dan modulus khusus yang unggul, rintangan yang baik terhadap kejutan haba dan kakisan, dsb. Walau bagaimanapun, ia mempunyai kelemahan seperti pengoksidaan dalam persekitaran oksigen suhu tinggi, rintangan yang lemah terhadap ammonia dan calar, menjadikannya tidak dapat memenuhi yang semakin ketat. keperluan untuk bahan grafit dalam pertumbuhan kristal tunggal Silicon Carbide dan pengeluaran wafer epitaxial. Oleh itu, salutan suhu tinggi sepertiTantalum Carbidesemakin popular.

1. Ciri-ciriSalutan Tantalum Carbide 

Seramik Tantalum Carbide (TaC) mempunyai takat lebur tinggi 3880°C, dengan kekerasan tinggi (kekerasan Mohs 9-10), kekonduksian terma yang ketara (22W·m-1·K−1), kekuatan lenturan tinggi (340-400MPa ), dan pekali pengembangan haba yang rendah (6.6×10−6K−1). Ia mempamerkan kestabilan haba dan kimia yang sangat baik dan sifat fizikal yang cemerlang, dengan keserasian kimia dan mekanikal yang baik dengan grafit,Bahan komposit C/C, dan lain-lain. Oleh itu, salutan TaC digunakan secara meluas dalam perlindungan haba aeroangkasa, pertumbuhan kristal tunggal, elektronik tenaga, peranti perubatan, dan bidang lain.

Salutan TaC pada grafitmempunyai ketahanan kakisan kimia yang lebih baik daripada grafit kosong atauGrafit bersalut SiC, dan boleh digunakan secara stabil pada suhu tinggi sehingga 2600°C tanpa bertindak balas dengan banyak unsur logam. Ia dianggap sebagai salutan terbaik untuk pertumbuhan kristal tunggal semikonduktor generasi ketiga dan goresan wafer, meningkatkan kawalan suhu dan kekotoran dengan ketara dalam proses, yang membawa kepada pengeluaran wafer Silicon Carbide berkualiti tinggi dan berkaitanwafer epitaxial. Ia amat sesuai untuk pertumbuhan peralatan MOCVD GaN atauKristal tunggal AlNdan pertumbuhan peralatan PVT bagi kristal tunggal SiC, menghasilkan kualiti kristal yang dipertingkatkan dengan ketara.

2. KelebihanSalutan Tantalum Carbide 

Peranti PenggunaanSalutan Tantalum Carbide (TaC).boleh menyelesaikan isu kecacatan tepi kristal, meningkatkan kualiti pertumbuhan kristal, dan merupakan salah satu teknologi teras untuk "pertumbuhan pantas, pertumbuhan tebal, pertumbuhan besar." Penyelidikan industri juga telah menunjukkan bahawa mangkuk pijar grafit bersalut TaC boleh mencapai pemanasan yang lebih seragam, memberikan kawalan proses yang sangat baik untuk pertumbuhan kristal tunggal SiC, dengan itu mengurangkan dengan ketara kebarangkalian tepi kristal SiC membentuk polihablur. Selain itu,Pisau grafit bersalut TaCmenawarkan dua kelebihan utama:

(1) Pengurangan kecacatan SiC Dalam kawalan kecacatan kristal tunggal SiC, biasanya terdapat tiga cara penting, iaitu, mengoptimumkan parameter pertumbuhan dan menggunakan bahan sumber berkualiti tinggi (sepertiSerbuk sumber SiC), dan menggantikan mangkuk pijar grafit denganPisau grafit bersalut TaCuntuk mencapai kualiti kristal yang baik.

Gambar rajah skema mangkuk pijar grafit konvensional (a) dan mangkuk pijar bersalut TaC (b) 

Menurut penyelidikan dari Universiti Eropah Timur di Korea, kekotoran utama dalam pertumbuhan kristal SiC ialah nitrogen.Pisau grafit bersalut TaCberkesan boleh mengehadkan penggabungan nitrogen ke dalam kristal SiC, dengan itu mengurangkan pembentukan kecacatan seperti mikrotiub, meningkatkan kualiti kristal. Kajian telah menunjukkan bahawa dalam keadaan yang sama, kepekatan pembawa dalamwafer SiCditanam dalam mangkuk pijar grafit konvensional danPisau bersalut TaCialah kira-kira 4.5×1017/cm dan 7.6×1015/cm, masing-masing.

Perbandingan kecacatan dalam pertumbuhan kristal tunggal SiC antara mangkuk grafit konvensional (a) dan mangkuk bersalut TaC (b)

(2) Memanjangkan hayat pijar grafit Pada masa ini, kos kristal SiC kekal tinggi, dengan bahan guna habis grafit menyumbang kira-kira 30% daripada kos. Kunci untuk mengurangkan kos bahan guna grafit terletak pada memanjangkan hayat perkhidmatan mereka. Menurut data daripada pasukan penyelidik British, salutan Tantalum Carbide boleh memanjangkan hayat perkhidmatan komponen grafit sebanyak 30-50%. Dengan menggunakan grafit bersalut TaC, kos kristal SiC boleh dikurangkan sebanyak 9%-15% melalui penggantianGrafit bersalut TaCbersendirian.

3. Proses Salutan Tantalum Carbide 

Penyediaansalutan TaCboleh dikelaskan kepada tiga kategori: kaedah fasa pepejal, kaedah fasa cecair, dan kaedah fasa gas. Kaedah fasa pepejal terutamanya termasuk kaedah pengurangan dan kaedah kompaun; kaedah fasa cecair termasuk kaedah garam cair, kaedah sol-gel, kaedah pensinteran buburan, kaedah penyemburan plasma; kaedah fasa gas termasuk kaedah pemendapan wap kimia (CVD), penyusupan wap kimia (CVI), dan kaedah pemendapan wap fizikal (PVD), dsb. Setiap kaedah mempunyai kelebihan dan kelemahannya, dengan CVD merupakan kaedah yang paling matang dan digunakan secara meluas untuk menyediakan salutan TaC. Dengan penambahbaikan proses yang berterusan, teknik baharu seperti pemendapan wap kimia wayar panas dan pemendapan wap kimia berbantukan rasuk ion telah dibangunkan.

Bahan berasaskan karbon diubah suai lapisan TaC terutamanya termasuk grafit, gentian karbon dan bahan komposit karbon/karbon. Kaedah penyediaanSalutan TaC pada grafittermasuk penyemburan plasma, CVD, pensinteran buburan, dsb.

Kelebihan kaedah CVD: Penyediaansalutan TaCmelalui CVD adalah berdasarkantantalum halida (TaX5) sebagai sumber tantalum dan hidrokarbon (CnHm) sebagai sumber karbon. Di bawah keadaan tertentu, bahan-bahan ini terurai menjadi Ta dan C, yang bertindak balas untuk membentuksalutan TaC. CVD boleh dijalankan pada suhu yang lebih rendah, dengan itu mengelakkan kecacatan dan mengurangkan sifat mekanikal yang mungkin timbul semasa penyediaan atau rawatan salutan suhu tinggi. Komposisi dan struktur salutan boleh dikawal dengan CVD, menawarkan ketulenan tinggi, ketumpatan tinggi dan ketebalan seragam. Lebih penting lagi, CVD menyediakan kaedah matang dan diterima pakai secara meluas untuk menyediakan salutan TaC berkualiti tinggi dengankomposisi dan struktur yang mudah dikawal.

Faktor utama yang mempengaruhi dalam proses termasuk:

(1) Kadar aliran gas (sumber tantalum, gas hidrokarbon sebagai sumber karbon, gas pembawa, gas pencair Ar2, gas pengurangan H2):Perubahan dalam kadar aliran gas dengan ketara mempengaruhi suhu, tekanan, dan medan aliran gas dalam ruang tindak balas, yang membawa kepada perubahan dalam komposisi, struktur dan sifat salutan. Peningkatan aliran Ar akan melambatkan kadar pertumbuhan salutan dan mengurangkan saiz butiran, manakala nisbah jisim molar TaCl5, H2, dan C3H6 mempengaruhi komposisi salutan. Nisbah molar H2 kepada TaCl5 paling sesuai pada (15-20):1, dan nisbah molar TaCl5 kepada C3H6 adalah idealnya hampir kepada 3:1. TaCl5 atau C3H6 yang berlebihan boleh mengakibatkan pembentukan Ta2C atau Karbon bebas, menjejaskan kualiti wafer.

(2) Suhu pemendapan:Suhu pemendapan yang lebih tinggi membawa kepada kadar pemendapan yang lebih cepat, saiz butiran yang lebih besar dan salutan yang lebih kasar. Selain itu, suhu penguraian dan kadar hidrokarbon menjadi C dan TaCl5 menjadi Ta berbeza, membawa kepada pembentukan Ta2C yang lebih mudah. Suhu mempunyai kesan ketara pada bahan karbon diubah suai salutan TaC, dengan suhu yang lebih tinggi meningkatkan kadar pemendapan, saiz butiran, berubah daripada bentuk sfera kepada polyhedral. Tambahan pula, suhu yang lebih tinggi mempercepatkan penguraian TaCl5, mengurangkan Karbon bebas, meningkatkan tekanan dalaman dalam salutan, dan boleh menyebabkan keretakan. Walau bagaimanapun, suhu pemendapan yang lebih rendah boleh mengurangkan kecekapan pemendapan salutan, memanjangkan masa pemendapan dan meningkatkan kos bahan mentah.

(3) Tekanan pemendapan:Tekanan pemendapan berkait rapat dengan tenaga bebas permukaan bahan dan mempengaruhi masa tinggal gas dalam ruang tindak balas, dengan itu mempengaruhi kadar nukleasi dan saiz butiran salutan. Apabila tekanan pemendapan meningkat, masa tinggal gas memanjang, membenarkan bahan tindak balas lebih banyak masa untuk tindak balas nukleasi, meningkatkan kadar tindak balas, membesarkan butiran, dan salutan penebalan. Sebaliknya, menurunkan tekanan pemendapan mengurangkan masa tinggal gas, melambatkan kadar tindak balas, mengurangkan saiz bijian, salutan penipisan, tetapi tekanan pemendapan mempunyai kesan minimum ke atas struktur kristal dan komposisi salutan.

4. Trend dalam Pembangunan Salutan Tantalum Carbide 

Pekali pengembangan terma TaC (6.6×10−6K−1) berbeza sedikit daripada bahan berasaskan karbon seperti grafit, gentian karbon, bahan komposit C/C, menyebabkan salutan TaC fasa tunggal retak atau terdelamina dengan mudah. Untuk meningkatkan lagi rintangan pengoksidaan, kestabilan mekanikal suhu tinggi, dan rintangan kakisan kimia salutan TaC, penyelidik telah menjalankan kajian mengenaisalutan komposit, salutan pengukuhan larutan pepejal, salutan kecerunan, dsb.

Salutan komposit mengelak keretakan dalam salutan tunggal dengan memperkenalkan salutan tambahan ke dalam permukaan atau lapisan dalam TaC, membentuk sistem salutan komposit. Sistem pengukuhan larutan pepejal seperti HfC, ZrC, dsb., mempunyai struktur padu berpusat muka yang sama seperti TaC, membolehkan keterlarutan bersama yang tidak terhingga antara dua karbida untuk membentuk struktur larutan pepejal. Salutan Hf(Ta)C adalah bebas retak dan mempamerkan lekatan yang baik dengan bahan komposit C/C. Salutan ini menawarkan rintangan terbakar yang sangat baik. Salutan kecerunan merujuk kepada salutan dengan taburan kecerunan berterusan komponen salutan sepanjang ketebalannya. Struktur ini boleh mengurangkan tekanan dalaman, menambah baik isu padanan pekali pengembangan haba, dan mencegah pembentukan retak.

5. Produk Peranti Salutan Tantalum Carbide

Menurut statistik dan ramalan QYR (Hengzhou Bozhi), jualan global bagiSalutan Tantalum Carbidemencapai 1.5986 juta USD pada 2021 (tidak termasuk produk peranti salutan Tantalum Carbide keluaran sendiri Cree), menunjukkan bahawa industri itu masih dalam peringkat awal pembangunan.

(1) Gelang pengembangan dan pijar yang diperlukan untuk pertumbuhan kristal:Dikira berdasarkan 200 relau pertumbuhan kristal bagi setiap perusahaan, bahagian pasaran bagiSalutan TaCperanti yang diperlukan oleh 30 syarikat pertumbuhan kristal adalah kira-kira 4.7 bilion RMB.

(2) Dulang TaC:Setiap dulang boleh membawa 3 wafer, dengan jangka hayat 1 bulan setiap dulang. Setiap 100 wafer memakan satu dulang. 3 juta wafer memerlukan 30,000Dulang TaC, dengan setiap dulang mempunyai sekitar 20,000 keping, berjumlah kira-kira 6 bilion setiap tahun.

(3) Senario penyahkarbonan lain.Kira-kira 1 bilion untuk lapisan relau suhu tinggi, muncung CVD, paip relau, dsb.**