Основни материјал за раст СиЦ: премаз од тантал карбида

Најчешће коришћена метода за припрему монокристала силицијум карбида је ПВТ (Пхисицал Вапор Транспорт) метода, где принцип укључује стављање сировина у зону високе температуре, док је семенски кристал у области са релативно ниском температуром. Сировине на вишој температури се распадају, производећи гасовите супстанце директно без пролаза кроз течну фазу. Ове гасовите супстанце, вођене аксијалним температурним градијентом, транспортују се до кристала семена, где долази до нуклеације и раста, што резултира кристализацијом монокристала силицијум карбида. Тренутно, стране компаније као што су Црее, ИИ-ВИ, СиЦристал, Дов и домаће компаније као што су Тианиуе Адванцед, Тианке Хеида и Центури Јингкин користе ову методу.

Силицијум карбид има преко 200 типова кристала, а прецизна контрола је потребна за генерисање жељеног типа монокристала (углавном типа 4Х кристала). Према Тианиуе Адванцед-овом ИПО открићу, стопе приноса кристалних штапова биле су 41%, 38,57%, 50,73% и 49,90% од 2018. до првог полугодишта 2021. године, док су стопе приноса супстрата биле 72,61%, 75,15%, и 70,54%, са 70,54% укупна стопа приноса тренутно износи само 37,7%. Користећи уобичајени ПВТ метод као пример, ниска стопа приноса је углавном последица следећих потешкоћа у припреми СиЦ супстрата:

Тешка контрола температурног поља: СиЦ кристалне шипке се морају производити на 2500°Ц, док силицијумски кристали захтевају само 1500°Ц, што захтева посебне пећи од једног кристала. Прецизна контрола температуре током производње представља значајне изазове.

Спора брзина производње: Традиционални силицијумски материјал расте брзином од 300 милиметара на сат, док монокристали силицијум карбида могу да расту само при 400 микрометара на сат, скоро 800 пута спорије.

Захтеви за висококвалитетне параметре, потешкоће у контроли у реалном времену стопе приноса црне кутије: Основни параметри СиЦ плочица укључују густину микроцевчица, густину дислокација, отпорност, закривљеност, храпавост површине, итд. Током раста кристала, прецизна контрола силицијум- Однос према угљенику, градијент температуре раста, брзина раста кристала, притисак протока ваздуха, итд., су од суштинског значаја да би се избегла поликристална контаминација, што доводи до неквалификованих кристала. Посматрање раста кристала у црној кутији графитног лончића у реалном времену није изводљиво, што захтева прецизну контролу термичког поља, подударање материјала и акумулирано искуство.

Потешкоће у експанзији кристала у пречнику: Под методом транспорта у гасној фази, технологија експанзије за раст кристала СиЦ представља значајне изазове, при чему се потешкоће раста геометријски повећавају како се величина кристала повећава.

Генерално ниска стопа приноса: Ниска стопа приноса се састоји од две везе - (1) Стопа приноса кристалног штапа = излаз кристалног штапа за полупроводнике / (излаз кристалног штапа за полупроводнике + излаз кристалног штапа који није за полупроводник) × 100%; (2) Стопа приноса супстрата = квалификовани излаз супстрата / (квалификовани излаз супстрата + неквалификовани излаз супстрата) × 100%.

За припрему висококвалитетних подлога од силицијум карбида високог приноса, добар материјал топлотног поља је неопходан за прецизну контролу температуре. Садашњи комплети за лончиће са термичким пољем углавном се састоје од графитних структурних компоненти високе чистоће, које се користе за грејање, топљење угљеничног праха и силицијумског праха и изолацију. Графитни материјали имају супериорну специфичну чврстоћу и специфични модул, добру отпорност на топлотни удар и корозију, итд. Међутим, они имају недостатке као што су оксидација у окружењу са високим температурама кисеоника, слаба отпорност на амонијак и гребање, што их чини неспособним да испуне све строже захтеви за графитне материјале у расту монокристала силицијум карбида и производњи епитаксијалне плочице. Дакле, високотемпературни премази попутТанталум Царбидедобијају на популарности.

1. КарактеристикеТантал-карбид премаз 

Керамика од тантал карбида (ТаЦ) има високу тачку топљења од 3880°Ц, са високом тврдоћом (тврдоћа по Мохсу од 9-10), значајном топлотном проводљивошћу (22В·м-1·К-1), високом чврстоћом на савијање (340-400МПа ), и низак коефицијент топлотног ширења (6,6×10−6К−1). Показује одличну термичку и хемијску стабилност и изванредне физичке особине, са добром хемијском и механичком компатибилношћу са графитом,Ц/Ц композитни материјали, итд. Због тога се ТаЦ премази широко користе у ваздушној топлотној заштити, расту монокристала, енергетској електроници, медицинским уређајима и другим пољима.

ТаЦ премаз на графитуима бољу отпорност на хемијску корозију од голог графита илиГрафит обложен СиЦ, и може се стабилно користити на високим температурама до 2600°Ц без реакције са многим металним елементима. Сматра се најбољим премазом за раст полупроводничких монокристала треће генерације и јеткање плочица, значајно побољшавајући контролу температуре и нечистоћа у процесу, што доводи до производње висококвалитетних плочица од силицијум карбида и сроднихепитаксијалне плочице. Посебно је погодан за МОЦВД опрему за раст ГаН илиАлН монокристалии ПВТ опрему за раст монокристала СиЦ, што резултира значајно побољшаним квалитетом кристала.

2. ПредностиТантал-карбид премаз 

Уређаји Употреба одПревлаке од тантал карбида (ТаЦ).може да реши проблеме са дефектима ивица кристала, побољша квалитет раста кристала и једна је од основних технологија за „брз раст, густ раст, велики раст“. Индустријска истраживања су такође показала да графитне лончиће обложене ТаЦ-ом могу постићи равномерније загревање, обезбеђујући одличну контролу процеса за раст монокристала СиЦ, чиме се значајно смањује вероватноћа да ивице кристала СиЦ формирају поликристале. Поред тога,Графитне лончиће обложене ТаЦ-омнуде две велике предности:

(1) Смањење СиЦ дефеката У контроли СиЦ монокристалних дефеката, обично постоје три важна начина, тј. оптимизација параметара раста и коришћење висококвалитетних изворних материјала (као нпр.СиЦ изворни прахови), и замена графитних лонаца саГрафитне лончиће обложене ТаЦ-омза постизање доброг квалитета кристала.

Шематски дијаграм конвенционалног графитног лончића (а) и лончића обложеног ТаЦ (б) 

Према истраживању са Источноевропског универзитета у Кореји, примарна нечистоћа у расту кристала СиЦ је азот.Графитне лончиће обложене ТаЦ-омможе ефикасно ограничити инкорпорацију азота у кристале СиЦ, чиме се смањује формирање дефеката као што су микроепрувете, побољшавајући квалитет кристала. Студије су показале да је под истим условима концентрација носача уСиЦ плочицеузгаја у конвенционалним графитним лонцима иТаЦ обложене лончићеје приближно 4,5×1017/цм и 7,6×1015/цм, респективно.

Поређење дефеката у расту монокристала СиЦ између конвенционалног графитног лончића (а) и лончића обложеног ТаЦ (б)

(2) Продужење животног века графитних лонаца Тренутно, цена кристала СиЦ остаје висока, при чему потрошни материјал од графита чини око 30% трошкова. Кључ за смањење трошкова потрошног материјала од графита лежи у продужењу њиховог радног века. Према подацима британског истраживачког тима, премази тантал карбида могу продужити век трајања графитних компоненти за 30-50%. Коришћењем графита обложеног ТаЦ-ом, цена кристала СиЦ може се смањити за 9%-15% заменомГрафит обложен ТаЦсама.

3. Процес премазивања тантал карбидом 

Припрема заТаЦ премазимогу се класификовати у три категорије: метода чврсте фазе, метода течне фазе и метода гасне фазе. Метода чврсте фазе углавном укључује методу редукције и методу једињења; метода течне фазе укључује методу растопљене соли, сол-гел методу, методу синтеровања суспензије, методу распршивања плазмом; метода у гасној фази укључује методе хемијског таложења паре (ЦВД), хемијске инфилтрације паре (ЦВИ) и физичког таложења паре (ПВД) итд. Свака метода има своје предности и недостатке, при чему је ЦВД најзрелији и широко коришћени метод за припрема ТаЦ премаза. Уз континуирана побољшања процеса, развијене су нове технике као што су хемијско таложење паре врућом жицом и хемијско таложење паре уз помоћ јонског снопа.

Материјали на бази угљеника модификовани ТаЦ премазом углавном укључују графит, угљенична влакна и композитне материјале угљеник/угљеник. Методе за припремуТаЦ премази на графитуукључују плазма прскање, ЦВД, синтеровање суспензије итд.

Предности ЦВД методе: ПрипремањеТаЦ премазипреко КВБ се заснива натантал халогениди (ТаКс5) као извор тантала и угљоводоници (ЦнХм) као извор угљеника. Под одређеним условима, ови материјали се разлажу на Та и Ц, који реагују на формирањеТаЦ премази. ЦВД се може извести на нижим температурама, чиме се избегавају дефекти и смањена механичка својства која могу настати током припреме или третмана премаза на високим температурама. Састав и структура премаза се може контролисати помоћу ЦВД-а, нудећи високу чистоћу, велику густину и уједначену дебљину. Што је још важније, ЦВД пружа зрелу и широко прихваћену методу за припрему висококвалитетних ТаЦ премаза салако контролисани састав и структура.

Кључни фактори утицаја у процесу укључују:

(1) Брзине протока гаса (извор тантала, гас угљоводоника као извор угљеника, гас носач, гас за разблаживање Ар2, редукциони гас Х2):Промене у брзинама протока гаса значајно утичу на температуру, притисак и поље струјања гаса у реакционој комори, што доводи до промена у саставу, структури и својствима превлаке. Повећање протока Ар ће успорити брзину раста премаза и смањити величину зрна, док однос моларне масе ТаЦл5, Х2 и Ц3Х6 утиче на састав премаза. Моларни однос Х2 према ТаЦл5 је најпогоднији на (15-20):1, а моларни однос ТаЦл5 према Ц3Х6 је идеално близу 3:1. Превише ТаЦл5 или Ц3Х6 може довести до стварања Та2Ц или слободног угљеника, што утиче на квалитет плочице.

(2) Температура таложења:Више температуре таложења доводе до бржих стопа таложења, веће величине зрна и грубљих премаза. Поред тога, температуре и брзине разлагања угљоводоника у Ц и ТаЦл5 у Та се разликују, што доводи до лакшег формирања Та2Ц. Температура има значајан утицај на угљенични материјал модификованог ТаЦ премазом, при чему више температуре повећавају стопе таложења, величину зрна, мењајући се од сферичних до полиедарских облика. Штавише, више температуре убрзавају разлагање ТаЦл5, смањују слободни угљеник, повећавају унутрашње напрезање у премазима и могу довести до пуцања. Међутим, ниже температуре таложења могу смањити ефикасност наношења премаза, продужити време таложења и повећати трошкове сировина.

(3) Притисак таложења:Притисак таложења је уско повезан са површинском слободном енергијом материјала и утиче на време задржавања гасова у реакционој комори, чиме утиче на брзину нуклеације и величину зрна премаза. Како се притисак таложења повећава, време задржавања гаса се продужава, омогућавајући реактантима више времена за реакције нуклеације, повећање брзине реакције, повећање зрна и згушњавање премаза. Супротно томе, смањење притиска таложења смањује време задржавања гаса, успорава брзину реакције, смањује величину зрна, проређује превлаке, али притисак таложења има минималан утицај на кристалну структуру и састав премаза.

4. Трендови у развоју превлаке од тантал карбида 

Коефицијент термичке експанзије ТаЦ-а (6,6×10−6К-1) се мало разликује од оног код материјала на бази угљеника као што су графит, угљенична влакна, Ц/Ц композитни материјали, што узрокује лако пуцање једнофазних ТаЦ премаза или раслојавање. Да би додатно побољшали отпорност на оксидацију, механичку стабилност при високим температурама и отпорност на хемијску корозију ТаЦ премаза, истраживачи су спровели студије окомпозитни премази, премази за јачање чврстог раствора, премази са градијентом, итд.

Композитни премази затварају пукотине у појединачним премазима уношењем додатних премаза у површинске или унутрашње слојеве ТаЦ-а, формирајући композитне системе премаза. Системи за ојачавање чврстих раствора као што су ХфЦ, ЗрЦ, итд., имају исту кубичну структуру усмерену на лице као ТаЦ, омогућавајући бесконачну међусобну растворљивост између два карбида да би се формирала структура чврстог раствора. Хф(Та)Ц премази су без пукотина и показују добру адхезију са Ц/Ц композитним материјалима. Ови премази пружају одличну отпорност на опекотине. Градијентне превлаке се односе на премазе са континуираним градијентом дистрибуције компоненти премаза дуж њихове дебљине. Ова структура може смањити унутрашње напрезање, побољшати проблеме са усклађивањем коефицијента топлотног ширења и спречити стварање пукотина.

5. Производи уређаја за премазивање од тантал карбида

Према КИР (Хенгзхоу Бозхи) статистици и прогнозама, глобална продајаПревлаке од тантал карбидадостигао 1,5986 милиона УСД у 2021. (не рачунајући Црее-ове производе за премазивање од тантал карбида саме производње), што указује да је индустрија још увек у раној фази развоја.

(1) Експанзиони прстенови и лончићи потребни за раст кристала:Израчунато на основу 200 пећи за раст кристала по предузећу, тржишни удео одТаЦ премазуређај потребан за 30 компанија за раст кристала је приближно 4,7 милијарди РМБ.

(2) ТаЦ тацне:Сваки послужавник може да носи 3 облатне, са животним веком од 1 месец по послужавнику. На сваких 100 облатни троши се један плех. За 3 милиона наполитанки потребно је 30.000ТаЦ тацне, при чему сваки послужавник има око 20.000 комада, што укупно износи око 6 милијарди годишње.

(3) Други сценарији декарбонизације.Приближно 1 милијарду за облоге пећи на високим температурама, ЦВД млазнице, цеви за пећ, итд.**