Hiện nay, thế hệ chất bán dẫn thứ ba bị chi phối bởicacbua silic. Trong cơ cấu giá thành các thiết bị của hãng, chất nền chiếm 47% và chất epit Wax chiếm 23%. Cả hai cùng nhau chiếm khoảng 70%, đây là phần quan trọng nhất củacacbua silicchuỗi công nghiệp sản xuất thiết bị.
Phương pháp thường được sử dụng để chuẩn bịcacbua silictinh thể đơn là phương pháp PVT (vận chuyển hơi vật lý). Nguyên tắc là tạo ra nguyên liệu thô ở vùng nhiệt độ cao và tinh thể hạt ở vùng nhiệt độ tương đối thấp. Các nguyên liệu thô ở nhiệt độ cao hơn bị phân hủy và trực tiếp tạo ra các chất ở pha khí mà không có pha lỏng. Các chất ở pha khí này được vận chuyển đến tinh thể hạt dưới sự điều khiển của gradient nhiệt độ dọc trục, tạo mầm và phát triển ở tinh thể hạt để tạo thành đơn tinh thể cacbua silic. Hiện tại, các công ty nước ngoài như Cree, II-VI, SiCrystal, Dow và các công ty trong nước như Tianyue Advanced, Tianke Heda và Century Golden Core đều sử dụng phương pháp này.
Có hơn 200 dạng tinh thể silicon cacbua và cần phải kiểm soát rất chính xác để tạo ra dạng tinh thể đơn cần thiết (chủ đạo là dạng tinh thể 4H). Theo bản cáo bạch của Tianyue Advanced, sản lượng thanh pha lê của công ty trong năm 2018-2020 và nửa đầu năm 2021 lần lượt là 41%, 38,57%, 50,73% và 49,90%, và sản lượng chất nền lần lượt là 72,61%, 75,15%, 70,44% và 75,47%. Lợi suất toàn diện hiện chỉ là 37,7%. Lấy phương pháp PVT chính thống làm ví dụ, năng suất thấp chủ yếu là do những khó khăn sau trong việc chuẩn bị chất nền SiC:
1. Khó khăn trong việc kiểm soát trường nhiệt độ: Thanh tinh thể SiC cần được sản xuất ở nhiệt độ cao 2500oC, trong khi tinh thể silicon chỉ cần 1500oC, do đó cần có lò nung đơn tinh thể đặc biệt và nhiệt độ tăng trưởng cần được kiểm soát chính xác trong quá trình sản xuất , điều này cực kỳ khó kiểm soát.
2. Tốc độ sản xuất chậm: Tốc độ tăng trưởng của vật liệu silicon truyền thống là 300 mm mỗi giờ, nhưng các tinh thể đơn cacbua silic chỉ có thể tăng trưởng 400 micron mỗi giờ, chênh lệch gần 800 lần.
3. Yêu cầu cao về thông số sản phẩm tốt và khó kiểm soát kịp thời hiệu suất hộp đen: Các thông số cốt lõi của tấm wafer SiC bao gồm mật độ ống vi mô, mật độ trật khớp, điện trở suất, cong vênh, độ nhám bề mặt, v.v. Trong quá trình phát triển tinh thể, đó là cần thiết để kiểm soát chính xác các thông số như tỷ lệ silicon-carbon, gradient nhiệt độ tăng trưởng, tốc độ tăng trưởng tinh thể và áp suất luồng không khí. Nếu không, các thể vùi đa hình có thể xảy ra, tạo ra các tinh thể không đủ tiêu chuẩn. Trong hộp đen của nồi nấu bằng than chì, không thể quan sát trạng thái phát triển tinh thể trong thời gian thực và cần phải kiểm soát trường nhiệt rất chính xác, kết hợp vật liệu và tích lũy kinh nghiệm.
4. Khó khăn trong việc giãn nở tinh thể: Theo phương pháp vận chuyển pha khí, công nghệ giãn nở của sự phát triển tinh thể SiC là vô cùng khó khăn. Khi kích thước tinh thể tăng lên, độ khó tăng trưởng của nó tăng theo cấp số nhân.
5. Năng suất nói chung thấp: Năng suất thấp chủ yếu bao gồm hai liên kết: (1) Hiệu suất thanh tinh thể = đầu ra thanh tinh thể cấp bán dẫn/(đầu ra thanh tinh thể cấp bán dẫn + đầu ra thanh tinh thể không bán dẫn) × 100%; (2) Hiệu suất chất nền = sản lượng chất nền đủ tiêu chuẩn/(đầu ra chất nền đủ tiêu chuẩn + sản lượng chất nền không đủ tiêu chuẩn) × 100%.
Trong việc chuẩn bị chất lượng cao và năng suất caochất nền cacbua silic, lõi cần vật liệu trường nhiệt tốt hơn để kiểm soát chính xác nhiệt độ sản xuất. Bộ nồi nấu kim loại trường nhiệt hiện đang được sử dụng chủ yếu là các bộ phận cấu trúc than chì có độ tinh khiết cao, được sử dụng để làm nóng và nấu chảy bột carbon và bột silicon và giữ ấm. Vật liệu than chì có đặc tính cường độ riêng và mô đun riêng cao, khả năng chống sốc nhiệt và chống ăn mòn tốt, nhưng chúng có nhược điểm là dễ bị oxy hóa trong môi trường oxy nhiệt độ cao, không chịu được amoniac và khả năng chống trầy xước kém. Trong quá trình phát triển tinh thể đơn cacbua silic vàtấm wafer silicon cacbuasản xuất, rất khó đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của người dân đối với việc sử dụng vật liệu than chì, điều này hạn chế nghiêm trọng sự phát triển và ứng dụng thực tế của nó. Do đó, các lớp phủ nhiệt độ cao như cacbua tantalum đã bắt đầu xuất hiện.
2. Đặc điểm củaLớp phủ cacbua tantali
Gốm TaC có nhiệt độ nóng chảy lên tới 3880oC, độ cứng cao (độ cứng Mohs 9-10), độ dẫn nhiệt lớn (22W·m-1·K−1), độ bền uốn lớn (340-400MPa) và độ giãn nở nhiệt nhỏ hệ số (6,6×10−6K−1), và thể hiện độ ổn định nhiệt hóa tuyệt vời và tính chất vật lý tuyệt vời. Nó có khả năng tương thích hóa học tốt và khả năng tương thích cơ học với vật liệu composite than chì và C/C. Do đó, lớp phủ TaC được sử dụng rộng rãi trong bảo vệ nhiệt hàng không vũ trụ, tăng trưởng tinh thể đơn, điện tử năng lượng và thiết bị y tế.
phủ TaCthan chì có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn than chì trần hoặc than chì phủ SiC, có thể sử dụng ổn định ở nhiệt độ cao 2600° và không phản ứng với nhiều nguyên tố kim loại. Đây là lớp phủ tốt nhất trong các kịch bản ăn mòn và tăng trưởng đơn tinh thể bán dẫn thế hệ thứ ba. Nó có thể cải thiện đáng kể việc kiểm soát nhiệt độ và tạp chất trong quá trình và chuẩn bịtấm silicon cacbua chất lượng caovà liên quantấm wafer epiticular. Nó đặc biệt thích hợp để phát triển các tinh thể đơn GaN hoặc AlN bằng thiết bị MOCVD và phát triển các tinh thể đơn SiC bằng thiết bị PVT, đồng thời chất lượng của các tinh thể đơn phát triển được cải thiện đáng kể.
III. Ưu điểm của thiết bị phủ Tantalum Carbide
Việc sử dụng lớp phủ Tantalum Carbide TaC có thể giải quyết vấn đề khiếm khuyết ở cạnh tinh thể và cải thiện chất lượng phát triển của tinh thể. Đó là một trong những định hướng kỹ thuật cốt lõi “mọc nhanh, mọc dày, mọc dài”. Nghiên cứu trong ngành cũng chỉ ra rằng Nồi nấu kim loại được phủ Tantalum Carbide có thể đạt được nhiệt độ đồng đều hơn, từ đó mang lại khả năng kiểm soát quá trình tuyệt vời cho sự phát triển đơn tinh thể SiC, do đó làm giảm đáng kể xác suất hình thành đa tinh thể ở rìa của tinh thể SiC. Ngoài ra, lớp phủ than chì Tantalum cacbua còn có hai ưu điểm chính:
(I) Giảm khuyết tật SiC
Về việc kiểm soát các khuyết tật đơn tinh thể SiC, thường có ba cách quan trọng. Ngoài việc tối ưu hóa các thông số tăng trưởng và nguồn nguyên liệu chất lượng cao (chẳng hạn như bột nguồn SiC), sử dụng Nồi nấu kim loại than chì phủ Tantalum Carbide cũng có thể đạt được chất lượng tinh thể tốt.
Sơ đồ của chén nung than chì thông thường (a) và chén nung được phủ TAC (b)
Theo nghiên cứu của Đại học Đông Âu ở Hàn Quốc, tạp chất chính trong sự phát triển của tinh thể SiC là nitơ và nồi nấu bằng than chì phủ tantalum cacbua có thể hạn chế một cách hiệu quả sự kết hợp nitơ của tinh thể SiC, do đó làm giảm việc tạo ra các khuyết tật như micropipes và cải tiến tinh thể. chất lượng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong cùng điều kiện, nồng độ chất mang của tấm wafer SiC được trồng trong nồi nấu bằng than chì thông thường và nồi nấu được phủ TAC lần lượt là khoảng 4,5×1017/cm và 7,6×1015/cm.
So sánh các khuyết tật trong các tinh thể đơn SiC phát triển trong nồi nấu kim loại bằng than chì thông thường (a) và nồi nấu kim loại được phủ TAC (b)
(II) Cải thiện tuổi thọ của nồi nấu bằng than chì
Hiện nay, giá thành của tinh thể SiC vẫn ở mức cao, trong đó giá thành của vật liệu tiêu hao than chì chiếm khoảng 30%. Chìa khóa để giảm chi phí tiêu thụ than chì là tăng tuổi thọ sử dụng của nó. Theo dữ liệu từ một nhóm nghiên cứu của Anh, lớp phủ cacbua tantalum có thể kéo dài tuổi thọ của các thành phần than chì thêm 30-50%. Theo tính toán này, chỉ thay thế than chì phủ tantalum cacbua có thể giảm giá thành tinh thể SiC từ 9% -15%.
4. Quy trình chuẩn bị lớp phủ cacbua tantali
Các phương pháp chuẩn bị lớp phủ TaC có thể được chia thành ba loại: phương pháp pha rắn, phương pháp pha lỏng và phương pháp pha khí. Phương pháp pha rắn chủ yếu bao gồm phương pháp khử và phương pháp hóa học; phương pháp pha lỏng bao gồm phương pháp muối nóng chảy, phương pháp sol-gel (Sol-Gel), phương pháp thiêu kết bùn, phương pháp phun plasma; phương pháp pha khí bao gồm lắng đọng hơi hóa học (CVD), thấm hơi hóa học (CVI) và lắng đọng hơi vật lý (PVD). Các phương pháp khác nhau đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong số đó, CVD là phương pháp tương đối hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi để chuẩn bị lớp phủ TaC. Với sự cải tiến liên tục của quy trình, các quy trình mới như lắng đọng hơi hóa học bằng dây nóng và lắng đọng hơi hóa học được hỗ trợ bằng chùm ion đã được phát triển.
Vật liệu dựa trên cacbon biến tính phủ TaC chủ yếu bao gồm than chì, sợi cacbon và vật liệu composite cacbon/cacbon. Các phương pháp chuẩn bị lớp phủ TaC trên than chì bao gồm phun plasma, CVD, thiêu kết bùn, v.v.
Ưu điểm của phương pháp CVD: Phương pháp CVD để chuẩn bị lớp phủ TaC dựa trên tantalum halogenua (TaX5) làm nguồn tantalum và hydrocarbon (CnHm) làm nguồn carbon. Trong những điều kiện nhất định, chúng lần lượt bị phân hủy thành Ta và C, sau đó phản ứng với nhau để thu được lớp phủ TaC. Phương pháp CVD có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn, điều này có thể tránh được các khuyết tật và giảm tính chất cơ học do chuẩn bị hoặc xử lý lớp phủ ở nhiệt độ cao ở một mức độ nhất định. Thành phần và cấu trúc của lớp phủ có thể được kiểm soát và nó có ưu điểm là độ tinh khiết cao, mật độ cao và độ dày đồng đều. Quan trọng hơn, thành phần và cấu trúc của lớp phủ TaC do CVD tạo ra có thể được thiết kế và kiểm soát dễ dàng. Đây là một phương pháp tương đối hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi để chuẩn bị lớp phủ TaC chất lượng cao.
Các yếu tố ảnh hưởng cốt lõi của quá trình bao gồm:
A. Tốc độ dòng khí (nguồn tantalum, khí hydrocarbon làm nguồn carbon, khí mang, khí pha loãng Ar2, khí khử H2): Sự thay đổi tốc độ dòng khí có ảnh hưởng lớn đến trường nhiệt độ, trường áp suất và trường dòng khí trong buồng phản ứng, dẫn đến những thay đổi về thành phần, cấu trúc và tính năng của lớp phủ. Việc tăng tốc độ dòng Ar sẽ làm chậm tốc độ phát triển lớp phủ và giảm kích thước hạt, đồng thời tỷ lệ khối lượng mol của TaCl5, H2 và C3H6 ảnh hưởng đến thành phần lớp phủ. Tỷ lệ mol của H2 và TaCl5 là (15-20):1, phù hợp hơn. Tỷ lệ mol của TaCl5 và C3H6 về mặt lý thuyết gần bằng 3:1. TaCl5 hoặc C3H6 dư thừa sẽ hình thành Ta2C hoặc carbon tự do, ảnh hưởng đến chất lượng của wafer.
B. Nhiệt độ lắng: Nhiệt độ lắng càng cao thì tốc độ lắng càng nhanh, kích thước hạt càng lớn và lớp phủ càng cứng. Ngoài ra, nhiệt độ và tốc độ phân hủy hydrocarbon thành C và phân hủy TaCl5 thành Ta là khác nhau, Ta và C có nhiều khả năng tạo thành Ta2C hơn. Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến vật liệu cacbon biến tính phủ TaC. Khi nhiệt độ lắng tăng, tốc độ lắng tăng, kích thước hạt tăng và hình dạng hạt thay đổi từ hình cầu sang đa diện. Ngoài ra, nhiệt độ lắng càng cao thì tốc độ phân hủy TaCl5 càng nhanh thì C tự do càng ít, ứng suất trong lớp phủ càng lớn và dễ tạo ra các vết nứt. Tuy nhiên, nhiệt độ lắng đọng thấp sẽ dẫn đến hiệu quả lắng đọng lớp phủ thấp hơn, thời gian lắng đọng lâu hơn và chi phí nguyên liệu thô cao hơn.
C. Áp suất lắng đọng: Áp suất lắng đọng có liên quan chặt chẽ với năng lượng tự do của bề mặt vật liệu và sẽ ảnh hưởng đến thời gian lưu khí trong buồng phản ứng, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ tạo mầm và kích thước hạt của lớp phủ. Khi áp suất lắng đọng tăng lên, thời gian lưu trú của khí dài hơn, các chất phản ứng có nhiều thời gian hơn để trải qua các phản ứng tạo mầm, tốc độ phản ứng tăng lên, các hạt trở nên lớn hơn và lớp phủ trở nên dày hơn; ngược lại, khi áp suất lắng đọng giảm, thời gian lưu của khí phản ứng ngắn, tốc độ phản ứng chậm lại, các hạt trở nên nhỏ hơn và lớp phủ mỏng hơn, nhưng áp suất lắng đọng ít ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và thành phần của lớp phủ.
V. Xu hướng phát triển của lớp phủ cacbua tantalum
Hệ số giãn nở nhiệt của TaC (6,6×10−6K−1) hơi khác so với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu gốc carbon như than chì, sợi carbon và vật liệu composite C/C, khiến lớp phủ TaC một pha dễ bị nứt và rơi ra. Để cải thiện hơn nữa khả năng chống mài mòn và oxy hóa, độ ổn định cơ học ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn hóa học ở nhiệt độ cao của lớp phủ TaC, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu về các hệ thống lớp phủ như hệ thống lớp phủ composite, hệ thống lớp phủ tăng cường dung dịch rắn và độ dốc. các hệ thống phủ.
Hệ thống phủ composite nhằm mục đích đóng các vết nứt của một lớp phủ duy nhất. Thông thường, các lớp phủ khác được đưa vào bề mặt hoặc lớp bên trong của TaC để tạo thành hệ thống phủ tổng hợp; hệ thống phủ tăng cường dung dịch rắn HfC, ZrC, v.v. có cấu trúc lập phương tâm mặt giống như TaC, và hai cacbua có thể hòa tan vô hạn với nhau để tạo thành cấu trúc dung dịch rắn. Lớp phủ Hf(Ta)C không có vết nứt và có độ bám dính tốt với vật liệu composite C/C. Lớp phủ có hiệu suất chống mài mòn tuyệt vời; Hệ thống phủ gradient Lớp phủ gradient đề cập đến nồng độ thành phần lớp phủ dọc theo chiều dày của nó. Cấu trúc có thể làm giảm ứng suất bên trong, cải thiện sự không phù hợp của hệ số giãn nở nhiệt và tránh các vết nứt.
(II) Sản phẩm thiết bị phủ tantalum cacbua
Theo số liệu thống kê và dự báo của QYR (Hengzhou Bozhi), doanh số thị trường sơn cacbua tantalum toàn cầu vào năm 2021 đạt 1,5986 triệu USD (không bao gồm các sản phẩm thiết bị phủ tantalum cacbua tự sản xuất và tự cung cấp của Cree), và vẫn còn ở giai đoạn đầu các giai đoạn phát triển của ngành.
1. Vòng giãn nở tinh thể và nồi nấu kim loại cần thiết cho sự phát triển của tinh thể: Dựa trên 200 lò phát triển tinh thể trên mỗi doanh nghiệp, thị phần thiết bị phủ TaC mà 30 công ty tăng trưởng tinh thể yêu cầu là khoảng 4,7 tỷ nhân dân tệ.
2. Khay TaC: Mỗi khay đựng được 3 tấm wafer, mỗi khay dùng được 1 tháng, cứ 100 tấm wafer tiêu thụ 1 khay. 3 triệu tấm wafer cần 30.000 khay TaC, mỗi khay khoảng 20.000 miếng và cần khoảng 600 triệu mỗi năm.
3. Các kịch bản giảm carbon khác. Chẳng hạn như lót lò nhiệt độ cao, vòi CVD, ống lò, v.v., khoảng 100 triệu.
Thời gian đăng: Jul-02-2024