Bahan inti kanggo wutah SiC: Tantalum Carbide Coating

Cara sing umum digunakake kanggo nyiapake kristal tunggal Silicon Carbide yaiku metode PVT (Physical Vapor Transport), ing ngendi prinsip kasebut kalebu bahan mentah ing zona suhu dhuwur, dene kristal wiji ana ing wilayah suhu sing relatif rendah. Bahan mentah ing suhu sing luwih dhuwur bisa rusak, ngasilake zat gas langsung tanpa ngliwati fase cair. Zat-zat gas kasebut, didorong dening gradien suhu aksial, diangkut menyang kristal wiji, ing ngendi nukleasi lan wutah dumadi, nyebabake kristalisasi kristal tunggal Silicon Carbide. Saiki, perusahaan manca kayata Cree, II-VI, SiCrystal, Dow, lan perusahaan domestik kaya Tianyue Advanced, Tianke Heida, lan Century Jingxin nggunakake metode iki.

Silicon Carbide duwe luwih saka 200 jinis kristal, lan kontrol sing tepat dibutuhake kanggo ngasilake jinis kristal tunggal sing dikarepake (utamane jinis kristal 4H). Miturut pambocoran IPO Tianyue Advanced, tingkat ngasilake batang kristal yaiku 41%, 38,57%, 50,73%, lan 49,90% wiwit taun 2018 nganti H1 2021, dene tingkat panen substrat yaiku 72,61%, 75,15%, 70,7%, lan 75,15% tingkat ngasilaken sakabèhé mung 37,7% saiki. Nggunakake metode PVT mainstream minangka conto, tingkat ngasilake sing murah utamane amarga kesulitan ing persiapan substrat SiC:

Kontrol lapangan suhu sing angel: Batang kristal SiC kudu diprodhuksi ing 2500 ° C, dene kristal silikon mung mbutuhake 1500 ° C, mbutuhake tungku kristal tunggal khusus. Kontrol suhu sing tepat sajrone produksi nyebabake tantangan sing signifikan.

Kacepetan produksi alon: Bahan Silicon Tradisional tuwuh kanthi kecepatan 300 milimeter saben jam, dene kristal tunggal Silicon Carbide mung bisa tuwuh ing 400 mikrometer saben jam, meh 800 kali luwih alon.

Syarat paramèter kualitas dhuwur, kangelan ing kontrol nyata-wektu saka tingkat ngasilaken kothak ireng: Paramèter inti wafer SiC kalebu Kapadhetan microtube, Kapadhetan dislokasi, resistivity, kelengkungan, roughness lumahing, etc. Sajrone wutah kristal, kontrol pas saka Silicon- rasio kanggo-Karbon, gradien suhu wutah, tingkat wutah kristal, meksa aliran udara, etc., iku penting kanggo ngindhari kontaminasi polycrystalline, asil ing kristal unqualified. Pengamatan wektu nyata babagan pertumbuhan kristal ing kothak ireng crucible grafit ora bisa ditindakake, mbutuhake kontrol lapangan termal sing tepat, cocog materi, lan pengalaman akumulasi.

Kesulitan ing expansion diameteripun kristal: Ing cara transportasi gas-phase, teknologi expansion kanggo wutah kristal SiC nuduhke tantangan pinunjul, karo kangelan wutah nambah geometrically minangka ukuran kristal mundhak.

Tingkat ngasilaken umume kurang: Tingkat ngasilake sing kurang kalebu rong tautan - (1) Tingkat ngasilake batang kristal = output rod kristal semikonduktor / (output rod kristal semikonduktor + output batang kristal non-semikonduktor) × 100%; (2) Laju asil substrat = output substrat berkualitas / (output substrat berkualitas + output substrat ora berkualitas) × 100%.

Kanggo nyiapake substrat Silicon Carbide sing berkualitas tinggi, bahan lapangan panas sing apik penting kanggo kontrol suhu sing tepat. Kit crucible medan termal saiki utamane kalebu komponen struktur grafit kemurnian dhuwur, sing digunakake kanggo pemanasan, leleh bubuk Karbon lan bubuk Silicon, lan insulasi. Bahan grafit duweni kekuatan khusus lan modulus spesifik sing unggul, resistensi sing apik kanggo kejut termal lan karat, lan liya-liyane. syarat kanggo bahan grafit ing Silicon Carbide wutah kristal tunggal lan produksi wafer epitaxial. Mulane, lapisan suhu dhuwur kayaTantalum Carbide Kablagi entuk popularitas.

1. Karakteristik sakaTantalum Carbide Kab Coating 

Keramik Tantalum Carbide (TaC) nduweni titik lebur dhuwur 3880°C, kanthi kekerasan dhuwur (kekerasan Mohs 9-10), konduktivitas termal sing signifikan (22W·m-1·K−1), kekuatan lentur dhuwur (340-400MPa). ), lan koefisien ekspansi termal kurang (6,6×10−6K−1). Iki nuduhake stabilitas termal lan kimia sing apik lan sifat fisik sing luar biasa, kanthi kompatibilitas kimia lan mekanik sing apik karo grafit,Bahan komposit C/C, etc. Mulane, lapisan TaC digunakake digunakake ing pangayoman termal aerospace, wutah kristal siji, elektronik energi, piranti medical, lan kothak liyane.

lapisan TaC ing grafitnduweni resistance karat kimia luwih saka grafit gundhul utawaSiC-dilapisi grafit, lan bisa digunakake kanthi stabil ing suhu dhuwur nganti 2600 ° C tanpa reaksi karo akeh unsur metalik. Iki dianggep minangka lapisan paling apik kanggo pertumbuhan kristal tunggal semikonduktor generasi katelu lan etsa wafer, kanthi nyata ningkatake suhu lan kontrol impurity ing proses kasebut, anjog menyang produksi wafer Silicon Carbide berkualitas tinggi lan gegandhengan.wafer epitaxial. Iku utamané cocok kanggo wutah peralatan MOCVD saka GaN utawaKristal tunggal AlNlan peralatan PVT wutah saka SiC kristal tunggal, asil ing Ngartekno meningkat kualitas kristal.

2. Kaluwihan sakaTantalum Carbide Kab Coating 

Piranti PanggunaanLapisan Tantalum Carbide (TaC).bisa ngatasi masalah cacat pinggiran kristal, nambah kualitas wutah kristal, lan minangka salah siji saka teknologi inti kanggo "wutah cepet, wutah kandel, wutah gedhe." Riset industri uga nuduhake yen crucibles grafit sing dilapisi TaC bisa entuk pemanasan sing luwih seragam, nyediakake kontrol proses sing apik kanggo pertumbuhan kristal tunggal SiC, saengga bisa nyuda kemungkinan pinggiran kristal SiC sing mbentuk polycrystals. Kajaba iku,Crucibles grafit sing dilapisi TaCnawakake rong kaluwihan utama:

(1) Ngurangi cacat SiC Ing kontrol cacat kristal tunggal SiC, biasane ana telung cara penting, yaiku, ngoptimalake paramèter wutah lan nggunakake bahan sumber sing berkualitas (kayatabubuk sumber SiC), lan ngganti crucibles grafit karoCrucibles grafit sing dilapisi TaCkanggo entuk kualitas kristal apik.

Diagram skematis grafit konvensional (a) lan TaC-coated crucible (b) 

Miturut riset saka Universitas Eropa Wétan ing Korea, najis utama ing wutah kristal SiC yaiku nitrogen.Crucibles grafit sing dilapisi TaCbisa èfèktif matesi penggabungan nitrogen menyang kristal SiC, mangkono ngurangi tatanan saka cacat kayata microtubes, Ngapikake kualitas kristal. Pasinaon wis nuduhake yen ing kondisi sing padha, konsentrasi operator ingwafer SiCthukul ing crucibles grafit conventional lanCrucible dilapisi TaCkira-kira 4,5 × 1017 / cm lan 7,6 × 1015 / cm, mungguh.

Perbandingan cacat ing wutah kristal tunggal SiC antarane crucible grafit konvensional (a) lan crucible dilapisi TaC (b)

(2) Prolonging gesang crucibles grafit Saiki, biaya kristal SiC tetep dhuwur, karo consumables grafit kira-kira 30% saka biaya. Kunci kanggo nyuda biaya bahan bakar grafit yaiku ndawakake umur layanan. Miturut data saka tim riset Inggris, lapisan Tantalum Carbide bisa ngluwihi umur layanan komponen grafit kanthi 30-50%. Kanthi nggunakake grafit sing dilapisi TaC, biaya kristal SiC bisa dikurangi 9% -15% liwat penggantianTaC-dilapisi grafitpiyambakan.

3. Proses Coating Tantalum Carbide 

Persiapan sakalapisan TaCbisa digolongake dadi telung kategori: metode fase padat, metode fase cair, lan metode fase gas. Metode fase padat utamane kalebu metode reduksi lan metode senyawa; metode fase cair kalebu metode uyah cair, metode sol-gel, metode slurry-sintering, metode nyemprot plasma; metode fase gas kalebu metode deposisi uap kimia (CVD), infiltrasi uap kimia (CVI), lan metode deposisi uap fisik (PVD), lan liya-liyane. nyiapake lapisan TaC. Kanthi dandan proses sing terus-terusan, teknik anyar kayata deposisi uap kimia kabel panas lan deposisi uap kimia sing dibantu sinar ion wis dikembangake.

Bahan adhedhasar karbon sing diowahi lapisan TaC utamane kalebu grafit, serat karbon, lan bahan komposit karbon/karbon. Cara kanggo nyiapakelapisan TaC ing grafitkalebu uyuh plasma, CVD, slurry-sintering, etc.

Kaluwihan saka metode CVD: preparation sakalapisan TaCliwat CVD adhedhasartantalum halida (TaX5) minangka sumber tantalum lan hidrokarbon (CnHm) minangka sumber karbon. Ing kahanan tartamtu, bahan iki decompose menyang Ta lan C, kang reaksi kanggo mbentuklapisan TaC. CVD bisa ditindakake ing suhu sing luwih murah, saéngga ngindhari cacat lan nyuda sifat mekanik sing bisa kedadeyan sajrone nyiyapake utawa perawatan lapisan suhu dhuwur. Komposisi lan struktur lapisan bisa dikontrol nganggo CVD, menehi kemurnian dhuwur, kapadhetan dhuwur, lan kekandelan seragam. Sing luwih penting, CVD nyedhiyakake metode sing diwasa lan digunakake kanggo nyiapake lapisan TaC sing berkualitas tinggikomposisi lan struktur sing gampang dikontrol.

Faktor utama sing mengaruhi proses kasebut kalebu:

(1) Laju aliran gas (sumber tantalum, gas hidrokarbon minangka sumber karbon, gas pembawa, gas pengencer Ar2, gas reduksi H2):Owah-owahan ing tingkat aliran gas sacara signifikan mengaruhi suhu, tekanan, lan lapangan aliran gas ing kamar reaksi, anjog kanggo owah-owahan ing komposisi lapisan, struktur, lan sifat. Tambah aliran Ar bakal alon mudhun lapisan wutah lan ngurangi ukuran butir, nalika rasio massa molar TaCl5, H2, lan C3H6 pengaruhe komposisi lapisan. Rasio molar saka H2 kanggo TaCl5 paling cocok ing (15-20):1, lan rasio molar saka TaCl5 kanggo C3H6 saenipun cedhak 3:1. TaCl5 utawa C3H6 sing berlebihan bisa nyebabake pembentukan Ta2C utawa Karbon bebas, sing mengaruhi kualitas wafer.

(2) Suhu deposisi:Suhu deposisi sing luwih dhuwur nyebabake tingkat deposisi sing luwih cepet, ukuran gandum sing luwih gedhe, lan lapisan sing luwih kasar. Kajaba iku, suhu lan tingkat dekomposisi hidrokarbon dadi C lan TaCl5 dadi Ta beda-beda, sing ndadékaké pembentukan Ta2C luwih gampang. Suhu nduwe pengaruh sing signifikan ing materi karbon sing diowahi lapisan TaC, kanthi suhu sing luwih dhuwur nambah tingkat deposisi, ukuran butir, ganti saka bunder dadi polyhedral. Salajengipun, suhu sing luwih dhuwur nyepetake dekomposisi TaCl5, nyuda Karbon gratis, nambah stres internal ing lapisan, lan bisa nyebabake retak. Nanging, suhu deposisi sing luwih murah bisa nyuda efisiensi deposisi lapisan, ndawakake wektu deposisi, lan nambah biaya bahan mentah.

(3) Tekanan deposisi:Tekanan deposisi raket banget karo energi bebas permukaan bahan lan mengaruhi wektu manggon gas ing kamar reaksi, saéngga mengaruhi tingkat nukleasi lan ukuran butir lapisan. Nalika tekanan deposisi mundhak, wektu manggon gas luwih dawa, ngidini reaktan luwih akeh wektu kanggo reaksi nukleasi, nambah tingkat reaksi, nggedhekake biji-bijian, lan nglapisi lapisan. Kosok baline, ngedhunake meksa deposisi nyuda wektu panggonan gas, kalem tingkat reaksi, ngurangi ukuran gandum, thinning lapisan, nanging meksa deposition duwe impact paling tithik ing struktur kristal lan komposisi lapisan.

4. Tren ing Tantalum Carbide Coating Development 

Koefisien ekspansi termal TaC (6.6×10−6K−1) rada beda karo bahan basis karbon kaya grafit, serat karbon, bahan komposit C/C, nyebabake lapisan TaC fase siji gampang retak utawa delaminate. Kanggo luwih ningkatake resistensi oksidasi, stabilitas mekanik suhu dhuwur, lan tahan korosi kimia saka lapisan TaC, peneliti wis nganakake studi babaganlapisan komposit, lapisan penguat solusi padat, lapisan gradien, lsp.

Lapisan komposit nutup retak ing lapisan tunggal kanthi ngenalake lapisan tambahan menyang permukaan utawa lapisan jero TaC, mbentuk sistem lapisan komposit. Sistem penguatan solusi padhet kaya HfC, ZrC, lan sapiturute, duwe struktur kubik sing dipusatake ing pasuryan sing padha karo TaC, sing ngidini kelarutan bebarengan tanpa wates antarane rong karbida kanggo mbentuk struktur solusi sing padhet. Lapisan Hf(Ta)C ora retak lan nduweni daya rekat sing apik karo bahan komposit C/C. Lapisan iki nyedhiyakake resistensi kobong sing apik. Lapisan gradien nuduhake lapisan kanthi distribusi gradien terus saka komponen lapisan ing sadawane kekandelan. Struktur iki bisa nyuda stres internal, nambah masalah pencocokan koefisien ekspansi termal, lan nyegah pembentukan retakan.

5. Tantalum Carbide Coating Piranti Products

Miturut statistik lan ramalan QYR (Hengzhou Bozhi), dodolan global sakaLapisan Tantalum Carbide Kabtekan 1.5986 yuta USD ing taun 2021 (ora kalebu produk piranti lapisan Tantalum Carbide sing diprodhuksi dening Cree), nuduhake manawa industri kasebut isih ana ing tahap awal pembangunan.

(1) Cincin ekspansi lan crucible sing dibutuhake kanggo pertumbuhan kristal:Diwilang adhedhasar 200 tungku wutah kristal saben perusahaan, pangsa pasar sakalapisan TaCpiranti dibutuhake dening 30 perusahaan wutah kristal kira-kira 4,7 milyar RMB.

(2) Baki TaC:Saben tray bisa nggawa 3 wafer, kanthi umur 1 wulan saben tray. Saben 100 wafer nggunakake siji tray. 3 yuta wafer mbutuhake 30.000nampan TaC, karo saben tray duwe watara 20.000 bêsik, totale kira-kira 6 milyar saben taun.

(3) Skenario dekarbonisasi liyane.Kira-kira 1 milyar kanggo lapisan tungku suhu dhuwur, nozel CVD, pipa tungku, lsp.**