Ներկայումս կիսահաղորդիչների երրորդ սերնդում գերակշռում ենսիլիցիումի կարբիդ. Իր սարքերի ինքնարժեքի կառուցվածքում սուբստրատը կազմում է 47%, իսկ էպիթաքսինը՝ 23%: Երկուսը միասին կազմում են մոտ 70%, ինչը ամենակարևոր մասն էսիլիցիումի կարբիդսարքերի արտադրության արդյունաբերության շղթա:
Պատրաստման ամենատարածված մեթոդըսիլիցիումի կարբիդմիայնակ բյուրեղները PVT (ֆիզիկական գոլորշիների տեղափոխման) մեթոդն է: Սկզբունքն է՝ հումքը պատրաստել բարձր ջերմաստիճանի գոտում, իսկ սերմացուը՝ համեմատաբար ցածր ջերմաստիճանի գոտում։ Հումքը ավելի բարձր ջերմաստիճանում քայքայվում է և ուղղակիորեն արտադրում գազաֆազային նյութեր՝ առանց հեղուկ փուլի: Այս գազաֆազային նյութերը տեղափոխվում են սերմերի բյուրեղ՝ առանցքային ջերմաստիճանի գրադիենտի շարժման ներքո, և միջուկային ձևավորում և աճում են սերմերի բյուրեղի մոտ՝ ձևավորելով սիլիցիումի կարբիդի միաբյուրեղ: Ներկայումս արտասահմանյան ընկերությունները, ինչպիսիք են Cree, II-VI, SiCrystal, Dow, և տեղական ընկերությունները, ինչպիսիք են Tianyue Advanced, Tianke Heda և Century Golden Core, բոլորն օգտագործում են այս մեթոդը:
Սիլիցիումի կարբիդի ավելի քան 200 բյուրեղային ձևեր կան, և շատ ճշգրիտ հսկողություն է պահանջվում պահանջվող մեկ բյուրեղային ձևը ստեղծելու համար (հիմնական հոսքը 4H բյուրեղային ձևն է): Համաձայն Tianyue Advanced-ի ազդագրի՝ ընկերության բյուրեղաձողերի եկամտաբերությունը 2018-2020 թվականներին և 2021 թ. առաջին կիսամյակում կազմել է համապատասխանաբար 41%, 38,57%, 50,73% և 49,90%, իսկ ենթաշերտի եկամտաբերությունը՝ համապատասխանաբար 72,7% և 75015%, համապատասխանաբար 72,7% և 7,7%: Համապարփակ եկամտաբերությունը ներկայումս կազմում է ընդամենը 37,7%: Որպես օրինակ վերցնելով հիմնական PVT մեթոդը, ցածր եկամտաբերությունը հիմնականում պայմանավորված է SiC ենթաշերտի պատրաստման հետևյալ դժվարություններով.
1. Ջերմաստիճանի դաշտի վերահսկման դժվարություն. SiC բյուրեղյա ձողերը պետք է արտադրվեն 2500℃ բարձր ջերմաստիճանում, մինչդեռ սիլիցիումի բյուրեղներին անհրաժեշտ է ընդամենը 1500℃, ուստի հատուկ մեկ բյուրեղյա վառարաններ են պահանջվում, և արտադրության ընթացքում աճի ջերմաստիճանը պետք է ճշգրիտ վերահսկվի: , որը չափազանց դժվար է վերահսկել։
2. Արտադրության դանդաղ արագություն. Ավանդական սիլիցիումային նյութերի աճի տեմպը ժամում 300 մմ է, սակայն սիլիցիումի կարբիդի միաբյուրեղները կարող են աճել ընդամենը 400 միկրոն ժամում, ինչը գրեթե 800 անգամ գերազանցում է տարբերությունը:
3. Արտադրանքի լավ պարամետրերի համար բարձր պահանջներ, և սև արկղերի բերքատվությունը դժվար է ժամանակին վերահսկել. SiC վաֆլիների հիմնական պարամետրերը ներառում են միկրոխողովակների խտությունը, տեղահանման խտությունը, դիմադրողականությունը, աղավաղումը, մակերեսի կոշտությունը և այլն: Բյուրեղների աճի գործընթացում այն անհրաժեշտ է ճշգրիտ վերահսկելու այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են սիլիցիում-ածխածին հարաբերակցությունը, աճի ջերմաստիճանի գրադիենտը, բյուրեղների աճի արագությունը և օդի հոսքի ճնշումը: Հակառակ դեպքում, ամենայն հավանականությամբ, տեղի կունենան պոլիմորֆ ներառումներ, ինչը հանգեցնում է անորակ բյուրեղների: Գրաֆիտային կարասի սև արկղում անհնար է դիտարկել բյուրեղների աճի կարգավիճակը իրական ժամանակում, և պահանջվում է շատ ճշգրիտ ջերմային դաշտի հսկողություն, նյութերի համապատասխանեցում և փորձի կուտակում:
4. Բյուրեղների ընդլայնման դժվարություն. գազաֆազային փոխադրման մեթոդի համաձայն, SiC բյուրեղների աճի ընդլայնման տեխնոլոգիան չափազանց դժվար է: Քանի որ բյուրեղի չափը մեծանում է, նրա աճի դժվարությունը երկրաչափականորեն մեծանում է:
5. Ընդհանուր առմամբ ցածր եկամտաբերություն. Ցածր եկամտաբերությունը հիմնականում բաղկացած է երկու կապից. (1) բյուրեղաձողերի ելք = կիսահաղորդչային կարգի բյուրեղաձողերի ելք/(կիսահաղորդչային կարգի բյուրեղաձողերի ելք + ոչ կիսահաղորդչային կարգի բյուրեղաձողերի ելք) × 100%; (2) Ենթաշերտի ելք = որակավորված ենթաշերտի ելք/(որակավորված ենթաշերտի ելք + չորակավորված ենթաշերտի ելք) × 100%:
Բարձրորակ և բարձր բերքատվության պատրաստման մեջսիլիցիումի կարբիդի ենթաշերտեր, միջուկին անհրաժեշտ են ավելի լավ ջերմային դաշտային նյութեր՝ արտադրության ջերմաստիճանը ճշգրիտ վերահսկելու համար: Ներկայում օգտագործվող ջերմային դաշտի կարասների հավաքածուները հիմնականում բարձր մաքրության գրաֆիտի կառուցվածքային մասեր են, որոնք օգտագործվում են ածխածնի փոշին և սիլիցիումի փոշին տաքացնելու և հալելու և տաք պահելու համար: Գրաֆիտային նյութերն ունեն բարձր հատուկ ուժի և հատուկ մոդուլի բնութագրեր, լավ ջերմային ցնցումների դիմադրություն և կոռոզիոն դիմադրություն, բայց նրանք ունեն թերություններ, քանի որ դրանք հեշտությամբ օքսիդացվում են բարձր ջերմաստիճանի թթվածնային միջավայրում, ամոնիակին դիմացկուն չեն և վատ քերծվածքային դիմադրություն: Սիլիցիումի կարբիդի միաբյուրեղների աճի գործընթացում ևսիլիցիումի կարբիդ էպիտաքսիալ վաֆլիարտադրությունը, դժվար է բավարարել գրաֆիտի նյութերի օգտագործման նկատմամբ մարդկանց գնալով ավելի խիստ պահանջները, ինչը լրջորեն սահմանափակում է դրա զարգացումը և գործնական կիրառումը: Հետեւաբար, բարձր ջերմաստիճանի ծածկույթները, ինչպիսիք են տանտալի կարբիդը, սկսել են առաջանալ:
2. ԲնութագրերըՏանտալի կարբիդի ծածկույթ
TaC կերամիկան ունի մինչև 3880℃ հալման կետ, բարձր կարծրություն (Mohs կարծրություն 9-10), մեծ ջերմային հաղորդունակություն (22W·m-1·K−1), մեծ ճկման ուժ (340-400MPa) և փոքր ջերմային ընդարձակում: գործակից (6,6×10−6K−1), և ցուցադրում է գերազանց ջերմաքիմիական կայունություն և գերազանց ֆիզիկական հատկություններ։ Այն ունի լավ քիմիական համատեղելիություն և մեխանիկական համատեղելիություն գրաֆիտի և C/C կոմպոզիտային նյութերի հետ: Հետևաբար, TaC ծածկույթը լայնորեն օգտագործվում է օդատիեզերական ջերմային պաշտպանության, մեկ բյուրեղների աճի, էներգետիկ էլեկտրոնիկայի և բժշկական սարքավորումների մեջ:
TaC-պատվածԳրաֆիտն ունի ավելի լավ քիմիական կոռոզիոն դիմադրություն, քան մերկ գրաֆիտը կամ SiC ծածկված գրաֆիտը, կարող է կայուն օգտագործվել 2600° բարձր ջերմաստիճանի դեպքում և չի փոխազդում շատ մետաղական տարրերի հետ: Դա լավագույն ծածկույթն է երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային միաբյուրեղների աճի և վաֆլի փորագրման սցենարներում: Այն կարող է զգալիորեն բարելավել ջերմաստիճանի և կեղտերի վերահսկումը գործընթացում և պատրաստելբարձրորակ սիլիցիումի կարբիդային վաֆլիներև հարակիցepitaxial վաֆլիներ. Այն հատկապես հարմար է MOCVD սարքավորումներով GaN կամ AlN միաբյուրեղներ աճեցնելու և PVT սարքավորումներով SiC մենաբյուրեղներ աճեցնելու համար, իսկ աճեցված մենաբյուրեղների որակը զգալիորեն բարելավվել է:
III. Տանտալի կարբիդով պատված սարքերի առավելությունները
Tantalum Carbide TaC ծածկույթի օգտագործումը կարող է լուծել բյուրեղային եզրերի թերությունների խնդիրը և բարելավել բյուրեղների աճի որակը: Դա «արագ աճելու, հաստանալու և երկարանալու» հիմնական տեխնիկական ուղղություններից մեկն է: Արդյունաբերական հետազոտությունները ցույց են տվել նաև, որ տանտալի կարբիդով պատված գրաֆիտային կարասը կարող է հասնել ավելի միատեսակ տաքացման՝ դրանով իսկ ապահովելով SiC-ի միաբյուրեղների աճի գերազանց գործընթացի վերահսկում, այդպիսով զգալիորեն նվազեցնելով SiC բյուրեղների եզրին բազմաբյուրեղ ձևավորման հավանականությունը: Բացի այդ, տանտալի կարբիդ գրաֆիտի ծածկույթն ունի երկու հիմնական առավելություն.
(I) SiC թերությունների նվազեցում
SiC-ի միաբյուրեղային թերությունները վերահսկելու առումով սովորաբար երեք կարևոր եղանակ կա. Ի հավելումն աճի պարամետրերի և բարձրորակ աղբյուրի նյութերի (օրինակ՝ SiC աղբյուրի փոշի) օպտիմալացնելուն, տանտալի կարբիդով պատված գրաֆիտային կարասի օգտագործումը կարող է նաև բյուրեղային լավ որակի հասնել:
Սովորական գրաֆիտային կարասի սխեմատիկ դիագրամ (a) և TAC ծածկված կարասի (b)
Կորեայի Արևելյան Եվրոպայի համալսարանի հետազոտության համաձայն, SiC բյուրեղների աճի հիմնական աղտոտվածությունը ազոտն է, իսկ տանտալի կարբիդով պատված գրաֆիտի կարասները կարող են արդյունավետորեն սահմանափակել SiC բյուրեղների ազոտի ներածումը, դրանով իսկ նվազեցնելով այնպիսի թերությունների առաջացումը, ինչպիսիք են միկրոխողովակները և բարելավելով բյուրեղը: որակ. Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ նույն պայմաններում SiC վաֆլիների կրիչի կոնցենտրացիաները, որոնք աճեցվում են սովորական գրաֆիտային կարասներում և TAC ծածկված կարասներում, համապատասխանաբար կազմում են մոտավորապես 4,5×1017/սմ և 7,6×1015/սմ:
Սովորական գրաֆիտային կարասներում աճեցված SiC միաբյուրեղների թերությունների համեմատություն (a) և TAC ծածկված կարասներում (b)
(II) Գրաֆիտի կարասների կյանքի բարելավում
Ներկայումս SiC բյուրեղների արժեքը բարձր է մնացել, որից գրաֆիտի ծախսվող նյութերի արժեքը կազմում է մոտ 30%: Գրաֆիտի սպառվող նյութերի արժեքը նվազեցնելու բանալին դրա ծառայության ժամկետի ավելացումն է: Բրիտանական հետազոտական թիմի տվյալների համաձայն, տանտալի կարբիդային ծածկույթները կարող են երկարացնել գրաֆիտի բաղադրիչների ծառայության ժամկետը 30-50% -ով: Ըստ այս հաշվարկի, միայն տանտալի կարբիդով պատված գրաֆիտի փոխարինումը կարող է նվազեցնել SiC բյուրեղների արժեքը 9%-15%-ով:
4. Տանտալի կարբիդի ծածկույթի պատրաստման գործընթացը
TaC ծածկույթի պատրաստման մեթոդները կարելի է բաժանել երեք կատեգորիայի՝ պինդ փուլային մեթոդ, հեղուկ փուլային մեթոդ և գազաֆազային մեթոդ: Կոշտ փուլի մեթոդը հիմնականում ներառում է ռեդուկցիոն մեթոդ և քիմիական մեթոդ; հեղուկ ֆազային մեթոդը ներառում է հալած աղի մեթոդը, սոլ-գել մեթոդը (Sol-Gel), ցեխաջրման մեթոդը, պլազմային ցողման մեթոդը; Գազաֆազային մեթոդը ներառում է քիմիական գոլորշիների նստեցում (CVD), քիմիական գոլորշիների ներթափանցում (CVI) և ֆիզիկական գոլորշիների նստեցում (PVD): Տարբեր մեթոդներ ունեն իրենց առավելություններն ու թերությունները: Դրանցից CVD-ն համեմատաբար հասուն և լայնորեն օգտագործվող մեթոդ է TaC ծածկույթների պատրաստման համար: Գործընթացի շարունակական բարելավմամբ մշակվել են նոր գործընթացներ, ինչպիսիք են տաք մետաղալարով քիմիական գոլորշիների նստեցումը և իոնային ճառագայթների օգնությամբ քիմիական գոլորշիների նստեցումը:
TaC ծածկույթի փոփոխված ածխածնի վրա հիմնված նյութերը հիմնականում ներառում են գրաֆիտ, ածխածնային մանրաթել և ածխածին/ածխածին կոմպոզիտային նյութեր: Գրաֆիտի վրա TaC ծածկույթների պատրաստման մեթոդները ներառում են պլազմային ցողում, CVD, ցեխի սինտերինգ և այլն:
CVD մեթոդի առավելությունները. TaC ծածկույթների պատրաստման CVD մեթոդը հիմնված է տանտալի հալոգենիդ (TaX5)՝ որպես տանտալի աղբյուր և ածխաջրածին (CnHm)՝ որպես ածխածնի աղբյուր: Որոշակի պայմաններում դրանք քայքայվում են համապատասխանաբար Ta և C-ի, այնուհետև փոխազդում են միմյանց հետ՝ ստանալով TaC ծածկույթներ։ CVD մեթոդը կարող է իրականացվել ավելի ցածր ջերմաստիճանում, ինչը կարող է որոշակի չափով խուսափել թերություններից և նվազեցված մեխանիկական հատկություններից, որոնք առաջանում են ծածկույթների բարձր ջերմաստիճանի պատրաստման կամ մշակման հետևանքով: Ծածկույթի կազմը և կառուցվածքը վերահսկելի են, և այն ունի բարձր մաքրության, բարձր խտության և միատեսակ հաստության առավելություններ: Ավելի կարևոր է, որ CVD-ի կողմից պատրաստված TaC ծածկույթների բաղադրությունը և կառուցվածքը կարելի է նախագծել և հեշտությամբ կառավարել: Այն համեմատաբար հասուն և լայնորեն օգտագործվող մեթոդ է բարձրորակ TaC ծածկույթների պատրաստման համար:
Գործընթացի վրա ազդող հիմնական գործոնները ներառում են.
Ա. Գազի հոսքի արագություն (տանտալի աղբյուր, ածխաջրածին գազ՝ որպես ածխածնի աղբյուր, կրող գազ, նոսրացման գազ Ar2, ռեդուկցիոն գազ H2). Գազի հոսքի արագության փոփոխությունը մեծ ազդեցություն ունի ջերմաստիճանի դաշտի, ճնշման դաշտի և գազի հոսքի դաշտի վրա ռեակցիայի պալատը, որի արդյունքում փոփոխություններ են տեղի ունենում ծածկույթի կազմի, կառուցվածքի և կատարման մեջ: Ar հոսքի արագության ավելացումը կդանդաղեցնի ծածկույթի աճի արագությունը և կնվազեցնի հատիկի չափը, մինչդեռ TaCl5, H2 և C3H6 մոլային զանգվածի հարաբերակցությունը ազդում է ծածկույթի կազմի վրա: H2-ի և TaCl5-ի մոլային հարաբերակցությունը (15-20):1 է, որն ավելի հարմար է: TaCl5-ի և C3H6-ի մոլային հարաբերակցությունը տեսականորեն մոտ է 3:1-ին: TaCl5-ի կամ C3H6-ի ավելցուկը կառաջացնի Ta2C կամ ազատ ածխածնի ձևավորում՝ ազդելով վաֆլի որակի վրա:
B. Տեղավորման ջերմաստիճան. Որքան բարձր է նստվածքի ջերմաստիճանը, այնքան ավելի արագ է նստվածքի արագությունը, այնքան մեծ է հատիկի չափը և այնքան կոպիտ ծածկույթը: Բացի այդ, ածխաջրածինների տարրալուծման ջերմաստիճանը և արագությունը C-ի, իսկ TaCl5-ի տարրալուծումը Ta-ի տարբեր են, և Ta-ն ու C-ն ավելի հավանական է, որ ձևավորեն Ta2C: Ջերմաստիճանը մեծ ազդեցություն ունի TaC ծածկույթի փոփոխված ածխածնային նյութերի վրա: Երբ նստվածքի ջերմաստիճանը մեծանում է, նստվածքի արագությունը մեծանում է, մասնիկների չափը մեծանում է, և մասնիկների ձևը գնդաձևից դառնում է բազմանիստ։ Բացի այդ, որքան բարձր է նստվածքի ջերմաստիճանը, այնքան ավելի արագ է տարրալուծվում TaCl5-ը, այնքան քիչ ազատ կլինի C-ն, այնքան մեծ է լարվածությունը ծածկույթում, և հեշտությամբ առաջանում են ճաքեր: Այնուամենայնիվ, նստվածքի ցածր ջերմաստիճանը կհանգեցնի ծածկույթի նստեցման ավելի ցածր արդյունավետության, նստեցման ավելի երկար ժամանակի և հումքի ավելի բարձր ծախսերի:
Գ. նստվածքի ճնշում. նստվածքի ճնշումը սերտորեն կապված է նյութի մակերեսի ազատ էներգիայի հետ և կազդի ռեակցիայի խցիկում գազի մնալու ժամանակի վրա՝ դրանով իսկ ազդելով ծածկույթի միջուկացման արագության և մասնիկների չափի վրա: Քանի որ նստեցման ճնշումը մեծանում է, գազի մնալու ժամանակը երկարում է, ռեակտիվներն ավելի շատ ժամանակ ունեն միջուկացման ռեակցիաներ անցնելու համար, ռեակցիայի արագությունը մեծանում է, մասնիկները դառնում են ավելի մեծ և ծածկույթը դառնում է ավելի հաստ. ընդհակառակը, երբ նստվածքի ճնշումը նվազում է, ռեակցիայի գազի պահպանման ժամանակը կարճ է, ռեակցիայի արագությունը դանդաղում է, մասնիկները դառնում են ավելի փոքր, և ծածկույթը բարակվում է, բայց նստվածքի ճնշումը քիչ ազդեցություն ունի ծածկույթի բյուրեղային կառուցվածքի և կազմի վրա:
V. Տանտալի կարբիդային ծածկույթի զարգացման միտում
TaC-ի ջերմային ընդարձակման գործակիցը (6.6×10−6K−1) որոշ չափով տարբերվում է ածխածնի վրա հիմնված նյութերից, ինչպիսիք են գրաֆիտը, ածխածնային մանրաթելերը և C/C կոմպոզիտային նյութերը, ինչը միաֆազ TaC ծածկույթներին հակված է ճաքելու և ճաքելու: ընկնելով. TaC ծածկույթների աբլյացիայի և օքսիդացման դիմադրության, բարձր ջերմաստիճանի մեխանիկական կայունության և բարձր ջերմաստիճանի քիմիական կոռոզիայից դիմադրության հետագա բարելավման նպատակով հետազոտողները հետազոտություն են անցկացրել ծածկույթի համակարգերի վրա, ինչպիսիք են կոմպոզիտային ծածկույթի համակարգերը, պինդ լուծույթով ուժեղացված ծածկույթի համակարգերը և գրադիենտը: ծածկույթների համակարգեր:
Կոմպոզիտային ծածկույթի համակարգը նախատեսված է մեկ ծածկույթի ճեղքերը փակելու համար: Սովորաբար, այլ ծածկույթներ ներմուծվում են TaC-ի մակերևույթի կամ ներքին շերտի մեջ՝ կոմպոզիտային ծածկույթի համակարգ ձևավորելու համար. պինդ լուծույթի ամրացման ծածկույթի համակարգը HfC, ZrC և այլն ունեն նույն երեսակենտրոն խորանարդ կառուցվածքը, ինչ TaC-ը, և երկու կարբիդները կարող են անսահմանորեն լուծել միմյանց մեջ՝ ձևավորելով պինդ լուծույթի կառուցվածք: Hf(Ta)C ծածկույթն առանց ճաքերի է և լավ կպչունություն ունի C/C կոմպոզիտային նյութին: Ծածկույթն ունի գերազանց հակաաբլյացիոն կատարում; գրադիենտ ծածկույթի համակարգի գրադիենտ ծածկույթը վերաբերում է ծածկույթի բաղադրիչի համակենտրոնացմանը իր հաստության ուղղությամբ: Կառուցվածքը կարող է նվազեցնել ներքին սթրեսը, բարելավել ջերմային ընդարձակման գործակիցների անհամապատասխանությունը և խուսափել ճաքերից:
(II) տանտալի կարբիդի ծածկույթի սարքի արտադրանք
Համաձայն QYR-ի (Հենչժոու Բոժի) վիճակագրության և կանխատեսումների՝ տանտալի կարբիդի ծածկույթի համաշխարհային շուկայի վաճառքը 2021 թվականին հասել է 1,5986 միլիոն ԱՄՆ դոլարի (առանց Cree-ի ինքնաարտադրվող և ինքնամատակարարված տանտալի կարբիդի ծածկույթի սարքի արտադրանքի), և այն դեռ վաղ փուլում է։ արդյունաբերության զարգացման փուլերը.
1. Բյուրեղների աճի համար պահանջվող բյուրեղյա ընդլայնման օղակներ և կարասներ. հիմնվելով յուրաքանչյուր ձեռնարկության համար 200 բյուրեղյա աճեցման վառարանների վրա, բյուրեղային աճող 30 ընկերությունների կողմից պահանջվող TaC ծածկված սարքերի շուկայական մասնաբաժինը կազմում է մոտ 4,7 միլիարդ յուան:
2. TaC սկուտեղներ. Յուրաքանչյուր սկուտեղ կարող է կրել 3 վաֆլի, յուրաքանչյուր սկուտեղը կարող է օգտագործվել 1 ամիս, և յուրաքանչյուր 100 վաֆլի համար սպառվում է 1 սկուտեղ: 3 միլիոն վաֆլի համար պահանջվում է 30,000 TaC սկուտեղ, յուրաքանչյուր սկուտեղը մոտ 20,000 կտոր է, և ամեն տարի անհրաժեշտ է մոտ 600 միլիոն:
3. Ածխածնի կրճատման այլ սցենարներ: Ինչպիսիք են բարձր ջերմաստիճան վառարանների երեսպատումը, CVD վարդակը, վառարանների խողովակները և այլն, մոտ 100 մլն.
Հրապարակման ժամանակը՝ հուլիս-02-2024