Pangunahing Materyal para sa Paglago ng SiC: Tantalum Carbide Coating

Ang karaniwang ginagamit na paraan para sa paghahanda ng solong kristal ng Silicon Carbide ay ang PVT (Physical Vapor Transport) na pamamaraan, kung saan ang prinsipyo ay nagsasangkot ng paglalagay ng mga hilaw na materyales sa isang zone na may mataas na temperatura, habang ang seed crystal ay nasa medyo mababang temperatura na lugar. Ang mga hilaw na materyales sa mas mataas na temperatura ay nabubulok, na gumagawa ng mga gas na sangkap nang direkta nang hindi dumadaan sa isang likidong bahagi. Ang mga gaseous substance na ito, na hinihimok ng axial temperature gradient, ay dinadala sa seed crystal, kung saan nangyayari ang nucleation at growth, na nagreresulta sa crystallization ng Silicon Carbide single crystals. Sa kasalukuyan, ginagamit ng mga dayuhang kumpanya tulad ng Cree, II-VI, SiCrystal, Dow, at mga domestic na kumpanya tulad ng Tianyue Advanced, Tianke Heida, at Century Jingxin ang pamamaraang ito.

Ang Silicon Carbide ay may higit sa 200 mga uri ng kristal, at ang tumpak na kontrol ay kinakailangan upang makabuo ng nais na solong uri ng kristal (pangunahin ang 4H na uri ng kristal). Ayon sa pagsisiwalat ng IPO ng Tianyue Advanced, ang crystal rod yield rate ay 41%, 38.57%, 50.73%, at 49.90% mula 2018 hanggang H1 2021, habang ang substrate yield rates ay 72.61%, 75.15%, 70.5%, 70.7% isang pangkalahatang rate ng ani na 37.7% lamang sa kasalukuyan. Gamit ang pangunahing paraan ng PVT bilang isang halimbawa, ang mababang rate ng ani ay higit sa lahat dahil sa mga sumusunod na kahirapan sa paghahanda ng substrate ng SiC:

Mahirap na kontrol sa field ng temperatura: Ang mga SiC crystal rod ay kailangang gawin sa 2500°C, samantalang ang Silicon crystal ay nangangailangan lamang ng 1500°C, na nangangailangan ng mga espesyal na single crystal furnace. Ang tumpak na kontrol sa temperatura sa panahon ng produksyon ay nagdudulot ng mga makabuluhang hamon.

Mabagal na bilis ng produksyon: Ang tradisyunal na materyal na Silicon ay lumalaki sa bilis na 300 milimetro bawat oras, samantalang ang mga solong kristal ng Silicon Carbide ay maaari lamang lumaki sa 400 micrometer bawat oras, halos 800 beses na mas mabagal.

Kinakailangan ng mataas na kalidad na mga parameter, kahirapan sa real-time na kontrol ng rate ng ani ng itim na kahon: Kasama sa mga pangunahing parameter ng SiC wafer ang density ng microtube, dislocation density, resistivity, curvature, pagkamagaspang sa ibabaw, atbp. Sa panahon ng paglaki ng kristal, tumpak na kontrol ng Silicon- to-Carbon ratio, growth temperature gradient, crystal growth rate, airflow pressure, atbp., ay mahalaga upang maiwasan ang polycrystalline contamination, na nagreresulta sa hindi kwalipikadong mga kristal. Ang real-time na pagmamasid sa paglaki ng kristal sa itim na kahon ng graphite crucible ay hindi magagawa, na nangangailangan ng tumpak na kontrol sa thermal field, pagtutugma ng materyal, at naipon na karanasan.

Pinagkakahirapan sa pagpapalawak ng diameter ng kristal: Sa ilalim ng paraan ng transportasyon ng gas-phase, ang teknolohiya ng pagpapalawak para sa paglago ng kristal ng SiC ay nagdudulot ng mga makabuluhang hamon, na ang kahirapan sa paglago ay tumataas nang geometriko habang lumalaki ang laki ng kristal.

Karaniwang mababang rate ng ani: Ang mababang rate ng ani ay binubuo ng dalawang link - (1) Crystal rod yield rate = semiconductor-grade crystal rod output / (semiconductor-grade crystal rod output + non-semiconductor-grade crystal rod output) × 100%; (2) Rate ng ani ng substrate = qualified substrate output / (qualified substrate output + unqualified substrate output) × 100%.

Upang maghanda ng mataas na kalidad, mataas na ani na mga substrate ng Silicon Carbide, ang isang mahusay na materyal sa larangan ng init ay mahalaga para sa tumpak na kontrol ng temperatura. Ang kasalukuyang thermal field crucible kit ay pangunahing binubuo ng high-purity graphite structural components, na ginagamit para sa pagpainit, pagtunaw ng Carbon powder at Silicon powder, at insulation. Ang mga materyales ng graphite ay may higit na mahusay na tiyak na lakas at tiyak na modulus, mahusay na paglaban sa thermal shock at kaagnasan, atbp. Gayunpaman, mayroon silang mga kakulangan tulad ng oksihenasyon sa mataas na temperatura na mga kapaligiran ng oxygen, mahinang pagtutol sa ammonia at scratching, na ginagawang hindi nila matugunan ang lalong mahigpit mga kinakailangan para sa mga materyales na grapayt sa Silicon Carbide na single crystal growth at epitaxial wafer production. Kaya, tulad ng mataas na temperatura coatingsTantalum Carbideay nakakakuha ng katanyagan.

1. Katangian ngTantalum Carbide Coating 

Ang Tantalum Carbide (TaC) ceramic ay may mataas na melting point na 3880°C, na may mataas na tigas (Mohs hardness na 9-10), makabuluhang thermal conductivity (22W·m-1·K−1), mataas na flexural strength (340-400MPa). ), at isang mababang thermal expansion coefficient (6.6×10−6K−1). Ito ay nagpapakita ng mahusay na thermal at kemikal na katatagan at natitirang pisikal na katangian, na may mahusay na kemikal at mekanikal na pagkakatugma sa grapayt,C/C composite na materyales, atbp. Samakatuwid, ang mga TaC coatings ay malawakang ginagamit sa aerospace thermal protection, single crystal growth, energy electronics, medical device, at iba pang larangan.

TaC coating sa grapaytay may mas mahusay na chemical corrosion resistance kaysa sa bare graphite oSiC-coated graphite, at maaaring magamit nang matatag sa mataas na temperatura hanggang sa 2600°C nang hindi tumutugon sa maraming elementong metal. Ito ay itinuturing na pinakamahusay na patong para sa ikatlong henerasyong semiconductor na single crystal growth at wafer etching, na makabuluhang nagpapabuti sa temperatura at kontrol ng karumihan sa proseso, na humahantong sa paggawa ng mga de-kalidad na Silicon Carbide wafer at mga kaugnay naepitaxial wafers. Ito ay lalong angkop para sa MOCVD equipment growth ng GaN oAlN solong kristalat paglago ng kagamitan ng PVT ng mga solong kristal ng SiC, na nagreresulta sa makabuluhang pinahusay na kalidad ng kristal.

2. Mga kalamangan ngTantalum Carbide Coating 

Mga Device Ang paggamit ngTantalum Carbide (TaC) coatingsmaaaring malutas ang mga isyu sa depekto sa gilid ng kristal, mapabuti ang kalidad ng paglaki ng kristal, at isa sa mga pangunahing teknolohiya para sa "mabilis na paglaki, makapal na paglaki, malaking paglaki." Ipinakita din ng pananaliksik sa industriya na ang TaC-coated graphite crucibles ay makakamit ang higit na pare-parehong pag-init, na nagbibigay ng mahusay na kontrol sa proseso para sa paglaki ng solong kristal ng SiC, sa gayon ay makabuluhang binabawasan ang posibilidad ng mga gilid ng kristal ng SiC na bumubuo ng mga polycrystal. Bilang karagdagan,Grapayt na pinahiran ng TaC cruciblesnag-aalok ng dalawang pangunahing bentahe:

(1) Pagbabawas ng mga depekto sa SiC Sa kontrol ng mga solong kristal na depekto ng SiC, karaniwang may tatlong mahahalagang paraan, ibig sabihin, pag-optimize ng mga parameter ng paglago at paggamit ng mga de-kalidad na mapagkukunang materyales (tulad ngSiC source powders), at pagpapalit ng graphite crucibles ngGrapayt na pinahiran ng TaC cruciblesupang makamit ang magandang kalidad ng kristal.

Schematic diagram ng conventional graphite crucible (a) at TaC-coated crucible (b) 

Ayon sa pananaliksik mula sa Eastern European University sa Korea, ang pangunahing karumihan sa paglaki ng kristal ng SiC ay nitrogen.Grapayt na pinahiran ng TaC cruciblesay maaaring epektibong limitahan ang pagsasama ng nitrogen sa mga kristal na SiC, sa gayon ay binabawasan ang pagbuo ng mga depekto tulad ng mga microtubes, pagpapabuti ng kalidad ng kristal. Ipinakita ng mga pag-aaral na sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang konsentrasyon ng carrier saSiC waferslumaki sa maginoo na graphite crucibles atMga crucibles na pinahiran ng TaCay humigit-kumulang 4.5×1017/cm at 7.6×1015/cm, ayon sa pagkakabanggit.

Paghahambing ng mga depekto sa SiC single crystal growth sa pagitan ng conventional graphite crucible (a) at TaC-coated crucible (b)

(2) Ang pagpapahaba ng buhay ng mga graphite crucibles Sa kasalukuyan, ang halaga ng SiC crystals ay nananatiling mataas, na may mga graphite consumable na nagkakahalaga ng humigit-kumulang 30% ng mga gastos. Ang susi sa pagbabawas ng mga gastos sa graphite consumable ay nakasalalay sa pagpapahaba ng kanilang buhay ng serbisyo. Ayon sa data mula sa isang British research team, ang Tantalum Carbide coatings ay maaaring pahabain ang buhay ng serbisyo ng mga bahagi ng grapayt ng 30-50%. Sa pamamagitan ng paggamit ng TaC-coated graphite, ang halaga ng SiC crystals ay maaaring mabawasan ng 9%-15% sa pamamagitan ng pagpapalit ngGrapayt na pinahiran ng TaCmag-isa.

3. Proseso ng Patong ng Tantalum Carbide 

Ang paghahanda ngTaC coatingsmaaaring uriin sa tatlong kategorya: solid-phase method, liquid-phase method, at gas-phase method. Ang solid-phase na paraan ay pangunahing kinabibilangan ng paraan ng pagbabawas at paraan ng tambalan; ang liquid-phase method ay kinabibilangan ng molten salt method, sol-gel method, slurry-sintering method, plasma spraying method; kasama sa gas-phase method ang chemical vapor deposition (CVD), chemical vapor infiltration (CVI), at physical vapor deposition (PVD) na mga pamamaraan, atbp. Ang bawat paraan ay may mga pakinabang at disbentaha nito, na ang CVD ang pinaka-mature at malawakang ginagamit na paraan para sa paghahanda ng TaC coatings. Sa patuloy na pagpapabuti ng proseso, nabuo ang mga bagong pamamaraan tulad ng hot wire chemical vapor deposition at ion beam-assisted chemical vapor deposition.

Pangunahing kasama sa TaC coating-modified carbon-based na mga materyales ang graphite, carbon fibers, at carbon/carbon composite na materyales. Mga pamamaraan para sa paghahandaTaC coatings sa grapaytisama ang plasma spraying, CVD, slurry-sintering, atbp.

Mga kalamangan ng paraan ng CVD: Ang paghahanda ngTaC coatingssa pamamagitan ng CVD ay batay satantalum halides (TaX5) bilang tantalum source at hydrocarbons (CnHm) bilang carbon source. Sa ilalim ng mga partikular na kondisyon, ang mga materyales na ito ay nabubulok sa Ta at C, na tumutugon sa pagbuoTaC coatings. Maaaring isagawa ang CVD sa mas mababang temperatura, sa gayon ay maiiwasan ang mga depekto at nababawasan ang mga mekanikal na katangian na maaaring lumitaw sa panahon ng paghahanda o paggamot ng mataas na temperatura na patong. Ang komposisyon at istraktura ng mga coatings ay maaaring kontrolin gamit ang CVD, na nag-aalok ng mataas na kadalisayan, mataas na density, at pare-parehong kapal. Higit sa lahat, ang CVD ay nagbibigay ng isang mature at malawakang pinagtibay na paraan para sa paghahanda ng mataas na kalidad na mga TaC coating na maymadaling nakokontrol na komposisyon at istraktura.

Ang mga pangunahing salik na nakakaimpluwensya sa proseso ay kinabibilangan ng:

(1) Mga rate ng daloy ng gas (pinagmulan ng tantalum, hydrocarbon gas bilang mapagkukunan ng carbon, carrier gas, diluent gas Ar2, pagbabawas ng gas H2):Ang mga pagbabago sa mga rate ng daloy ng gas ay makabuluhang nakakaapekto sa temperatura, presyon, at field ng daloy ng gas sa silid ng reaksyon, na humahantong sa mga pagbabago sa komposisyon ng patong, istraktura, at mga katangian. Ang pagtaas ng daloy ng Ar ay magpapabagal sa rate ng paglago ng coating at bawasan ang laki ng butil, habang ang molar mass ratio ng TaCl5, H2, at C3H6 ay nakakaimpluwensya sa komposisyon ng patong. Ang molar ratio ng H2 hanggang TaCl5 ay pinakaangkop sa (15-20):1, at ang molar ratio ng TaCl5 hanggang C3H6 ay perpektong malapit sa 3:1. Ang labis na TaCl5 o C3H6 ay maaaring magresulta sa pagbuo ng Ta2C o libreng Carbon, na nakakaapekto sa kalidad ng wafer.

(2) Temperatura ng deposition:Ang mas mataas na temperatura ng deposition ay humahantong sa mas mabilis na mga rate ng deposition, mas malalaking laki ng butil, at mas magaspang na coatings. Bilang karagdagan, ang mga temperatura ng agnas at mga rate para sa mga hydrocarbon sa C at TaCl5 sa Ta ay naiiba, na humahantong sa mas madaling pagbuo ng Ta2C. Ang temperatura ay may malaking epekto sa TaC coating-modified carbon material, na may mas mataas na temperatura na tumataas ang mga rate ng deposition, mga laki ng butil, na nagbabago mula sa spherical hanggang polyhedral na mga hugis. Higit pa rito, ang mas mataas na temperatura ay nagpapabilis sa pagkabulok ng TaCl5, nagpapababa ng libreng Carbon, nagpapataas ng panloob na stress sa mga coatings, at maaaring humantong sa pag-crack. Gayunpaman, ang mas mababang temperatura ng pag-deposito ay maaaring mabawasan ang kahusayan ng pag-deposito ng coating, pahabain ang oras ng pag-deposito, at pataasin ang mga gastos sa hilaw na materyal.

(3) Deposition pressure:Ang presyon ng deposition ay malapit na nauugnay sa libreng enerhiya sa ibabaw ng mga materyales at nakakaapekto sa oras ng paninirahan ng mga gas sa silid ng reaksyon, at sa gayon ay nakakaimpluwensya sa nucleation rate at laki ng butil ng mga coatings. Habang tumataas ang presyon ng deposition, humahaba ang oras ng paninirahan ng gas, na nagbibigay-daan sa mga reactant ng mas maraming oras para sa mga reaksyon ng nucleation, pagtaas ng mga rate ng reaksyon, pagpapalaki ng mga butil, at pampalapot na coatings. Sa kabaligtaran, binabawasan ng pagbaba ng presyon ng deposition ang oras ng paninirahan ng gas, pagbagal ng mga rate ng reaksyon, pagbabawas ng laki ng butil, pagnipis ng mga coatings, ngunit ang presyon ng deposition ay may kaunting epekto sa istraktura ng kristal at komposisyon ng mga coatings.

4. Mga Uso sa Pag-unlad ng Tantalum Carbide Coating 

Ang thermal expansion coefficient ng TaC (6.6×10−6K−1) ay bahagyang naiiba sa carbon-based na materyales tulad ng graphite, carbon fibers, C/C composite material, na nagiging sanhi ng single-phase TaC coatings na madaling pumutok o ma-delaminate. Upang higit pang mapabuti ang paglaban sa oksihenasyon, katatagan ng makina na may mataas na temperatura, at paglaban sa kaagnasan ng kemikal ng mga coatings ng TaC, ang mga mananaliksik ay nagsagawa ng mga pag-aaral sacomposite coatings, solid solution strengthening coatings, gradient coatings, atbp.

Ang mga pinagsama-samang patong ay nagtatakip ng mga bitak sa mga solong patong sa pamamagitan ng pagpasok ng mga karagdagang patong sa ibabaw o panloob na mga patong ng TaC, na bumubuo ng mga composite coating system. Ang mga solidong solution strengthening system tulad ng HfC, ZrC, atbp., ay may parehong face-centered cubic structure bilang TaC, na nagbibigay-daan sa walang katapusang mutual solubility sa pagitan ng dalawang carbide upang bumuo ng solid solution structure. Ang Hf(Ta)C coatings ay walang basag at nagpapakita ng magandang pagdirikit sa mga C/C composite na materyales. Ang mga coatings na ito ay nag-aalok ng mahusay na paglaban sa paso. Ang mga gradient coatings ay tumutukoy sa mga coatings na may tuluy-tuloy na gradient na pamamahagi ng mga bahagi ng coating kasama ng kanilang kapal. Ang istrukturang ito ay maaaring mabawasan ang panloob na stress, mapabuti ang thermal expansion coefficient na mga isyu sa pagtutugma, at maiwasan ang pagbuo ng crack.

5. Mga Produkto ng Tantalum Carbide Coating Device

Ayon sa mga istatistika at pagtataya ng QYR (Hengzhou Bozhi), ang pandaigdigang benta ngTantalum Carbide coatingsumabot sa 1.5986 milyong USD noong 2021 (hindi kasama ang mga produktong self-produced ng Tantalum Carbide coating device ng Cree), na nagpapahiwatig na ang industriya ay nasa maagang yugto pa ng pag-unlad.

(1) Mga singsing ng pagpapalawak at crucibles na kinakailangan para sa paglaki ng kristal:Kinakalkula batay sa 200 crystal growth furnace bawat enterprise, ang market share ngTaC coatingaparato na kinakailangan ng 30 mga kumpanya ng paglago ng kristal ay humigit-kumulang 4.7 bilyong RMB.

(2) Mga tray ng TaC:Ang bawat tray ay maaaring magdala ng 3 wafer, na may habang-buhay na 1 buwan bawat tray. Bawat 100 wafer ay kumakain ng isang tray. Ang 3 milyong wafer ay nangangailangan ng 30,000Mga tray ng TaC, na ang bawat tray ay may humigit-kumulang 20,000 piraso, na humigit-kumulang 6 bilyon taun-taon.

(3) Iba pang mga senaryo ng decarbonization.Humigit-kumulang 1 bilyon para sa mga high-temperature furnace lining, CVD nozzles, furnace pipe, atbp.**