SiC hazteko oinarrizko materiala: tantalio-karburoaren estaldura

Silizio-karburoa kristal bakarreko prestaketarako erabili ohi den metodoa PVT (Physical Vapor Transport) metodoa da, non printzipioa lehengaiak tenperatura altuko eremu batean jartzea dakar, hazi-kristala tenperatura nahiko baxuko eremuan dagoen bitartean. Tenperatura altuagoan dauden lehengaiak deskonposatzen dira, eta zuzenean fase likidotik igaro gabe substantzia gaseosoak sortzen dira. Substantzia gaseoso hauek, tenperatura-gradiente axialak bultzatuta, hazi-kristalera garraiatzen dira, non nukleazioa eta hazkuntza gertatzen diren, eta ondorioz Silizio Karburoko kristal bakarreak kristalizatzen dira. Gaur egun, Cree, II-VI, SiCrystal, Dow bezalako atzerriko konpainiek eta Tianyue Advanced, Tianke Heida eta Century Jingxin bezalako enpresek metodo hau erabiltzen dute.

Silizio karburoak 200 kristal mota baino gehiago ditu, eta kontrol zehatza behar da nahi den kristal bakarreko mota sortzeko (nagusiki 4H kristal mota). Tianyue Advanced-ren IPO-ren dibulgazioaren arabera, kristalezko hagatxoen errendimendu-tasak % 41, % 38,57, % 50,73 eta % 49,90 izan ziren 2018tik 2021eko H1era arte, eta substratuaren errendimendu-tasak % 72,61, % 75,15, % 4, 75,15, % 4, 70,4, 75,15, % 4,7 eta 49,90 izan ziren. %37,7ko etekin tasa orokorra gaur egun. PVT metodo nagusia adibide gisa erabiliz, etekin-tasa baxua SiC substratua prestatzeko zailtasun hauei zor zaie batez ere:

Tenperaturaren eremuaren kontrola zaila: SiC kristalezko hagaxkak 2500 °C-tan ekoitzi behar dira, siliziozko kristalek, berriz, 1500 °C bakarrik behar dituzte, kristal bakarreko labe bereziak behar direlarik. Ekoizpen garaian tenperatura kontrolatzeak erronka handiak ditu.

Ekoizpen-abiadura motela: Siliziozko material tradizionala orduko 300 milimetroko abiaduran hazten da, eta Silizio Karburoko kristal bakarrak orduko 400 mikrometrotan hazten dira, ia 800 aldiz motelago.

Kalitate handiko parametroen eskakizuna, kutxa beltzaren errendimendu-tasa denbora errealean kontrolatzeko zailtasuna: SiC obleen oinarrizko parametroen artean mikrohodien dentsitatea, dislokazio-dentsitatea, erresistentzia, kurbadura, gainazaleko zimurtasuna, etab. Karbonoaren arteko erlazioa, hazkunde-tenperatura-gradientea, kristalen hazkuntza-tasa, aire-fluxuaren presioa, etab., ezinbestekoak dira kutsadura polikristalinoa saihesteko, eta, ondorioz, kualifikaziorik gabeko kristalak sortzen dira. Grafitozko arragoaren kutxa beltzean kristalen hazkuntza denbora errealean behatzea ez da bideragarria, eremu termikoen kontrol zehatza, material bat etortzea eta metatutako esperientzia behar direlarik.

Kristalaren diametroa hedatzeko zailtasuna: gas-fasearen garraioaren metodoaren arabera, SiC kristalen hazkuntzarako hedapen-teknologiak erronka garrantzitsuak ditu, hazteko zailtasuna geometrikoki handitzen baita kristalaren tamaina handitzen den heinean.

Orokorrean etekin-tasa baxua: etekin-tasa baxuak bi esteka ditu - (1) Kristalezko hagaxka errendimendu-tasa = erdieroale mailako kristalezko hagaxka irteera / (erdieroale mailako kristalezko hagaxka irteera + erdieroale mailako kristalezko hagaxka irteera) × % 100; (2) Substratuaren etekin-tasa = substratuaren irteera kualifikatua / (substratuaren irteera kualifikatua + substratuaren irteera kualifikatua) × % 100.

Kalitate handiko eta errendimendu handiko Silizio Karburoko substratuak prestatzeko, bero-eremuko material ona ezinbestekoa da tenperatura kontrolatzeko. Gaur egungo eremu termikoko arragoa kitek purutasun handiko grafitozko osagai estrukturalez osatuta daude, berotzeko, karbono-hautsa eta silizio-hautsa urtzeko eta isolatzeko erabiltzen direnak. Grafitozko materialek indar espezifiko eta modulu espezifiko handiagoa dute, shock termikoarekiko eta korrosioarekiko erresistentzia ona, etab. Hala ere, desabantailak dituzte, hala nola, tenperatura altuko oxigeno-inguruneetan oxidazioa, amoniakoarekiko eta marraduraarekiko erresistentzia eskasa, gero eta zorrotzagoak direnei aurre egin ezinik. Silizio karburo kristal bakarreko hazkuntzan eta oble epitaxialen ekoizpenean grafitozko materialen baldintzak. Horregatik, tenperatura altuko estaldurak bezalakoakTantalo Karburoaospea lortzen ari dira.

1.-ren ezaugarriakTantalo Karburozko Estaldura 

Tantalo Karburoa (TaC) zeramikak 3880 °C-ko urtze-puntu altua du, gogortasun handia (9-10 Mohs gogortasuna), eroankortasun termiko handia (22W·m-1·K-1), malgutasun-erresistentzia handia (340-400MPa). ), eta dilatazio termiko koefiziente baxua (6,6×10−6K−1). Egonkortasun termiko eta kimiko bikaina eta propietate fisiko bikainak erakusten ditu, grafitoarekin bateragarritasun kimiko eta mekaniko onarekin,C/C material konposatuak, etab. Hori dela eta, TaC estaldurak babes termiko aeroespazialean, kristal bakarrean hazkuntzan, elektronikan energetikoan, gailu medikoan eta beste esparru batzuetan erabiltzen dira.

TaC estaldura grafitoaren gaineanKorrosio kimikoarekiko erresistentzia hobea du grafito biluziak bainoSiC estalitako grafitoa, eta egonkortasunez erabil daiteke 2600 °C arteko tenperatura altuetan elementu metaliko askorekin erreakzionatu gabe. Hirugarren belaunaldiko erdieroaleen kristal bakarreko hazkuntzarako eta obleen grabaziorako estaldurarik onenatzat hartzen da, prozesuan tenperatura eta ezpurutasunen kontrola nabarmen hobetuz, kalitate handiko Silizio Karburoko obleak eta erlazionatutako obleak ekoizteko.oble epitaxialak. Bereziki egokia da GaN edo MOCVD ekipoen hazkuntzarakoAlN kristal bakarraketa SiC kristal bakarreko PVT ekipamenduen hazkuntza, kristalen kalitatea nabarmen hobetuz.

2.-ren abantailakTantalo Karburozko Estaldura 

Gailuen erabileraTantalo Karburoa (TaC) estaldurakKristalaren ertzaren akatsen arazoak konpon ditzake, kristalen hazkuntzaren kalitatea hobetu eta "hazkunde azkarra, hazkunde lodia, hazkunde handia" egiteko oinarrizko teknologietako bat da. Industria-ikerketek ere erakutsi dute TaC estalitako grafitozko arragoek beroketa uniformeagoa lor dezaketela, SiC kristal bakarreko hazkuntzarako prozesu kontrol bikaina eskainiz, eta, horrela, SiC kristalen ertzak polikristalak sortzeko probabilitatea nabarmen murrizten du. Horrez gain,TaC estalitako grafitozko arragoabi abantaila nagusi eskaintzen ditu:

(1) SiC akatsen murrizketa SiC kristal bakarreko akatsen kontrolean, normalean hiru modu garrantzitsu daude, hau da, hazkuntza-parametroak optimizatzea eta kalitate handiko iturri-materialak erabiltzea (adibidez.SiC iturriko hautsak), eta grafitozko arragoak ordezkatuzTaC estalitako grafitozko arragoakristalen kalitate ona lortzeko.

Grafitozko arragoa konbentzionalaren (a) eta TaC estalitako arragoaren (b) diagrama eskematikoa 

Koreako Ekialdeko Europako Unibertsitateak egindako ikerketen arabera, SiC kristalen hazkundearen lehen ezpurutasuna nitrogenoa da.TaC estalitako grafitozko arragoaSiC kristaletan nitrogeno sartzea modu eraginkorrean mugatu dezake, eta horrela mikrohodiak bezalako akatsen eraketa murrizten du, kristalaren kalitatea hobetuz. Ikerketek frogatu dute baldintza berdinetan garraiolarien kontzentrazioa sartzen delaSiC obleakgrafitozko arrago konbentzionaletan hazi etaTaC estalitako arragoagutxi gorabehera 4,5×1017/cm eta 7,6×1015/cm da, hurrenez hurren.

SiC kristal bakarreko hazkuntzako akatsen konparazioa grafitozko arragoa konbentzionalaren (a) eta TaC estalitako arragoaren (b) artean

(2) Grafitozko arragoen bizitza luzatzea Gaur egun, SiC kristalen kostuak altua izaten jarraitzen du, grafitozko kontsumigarriek kostuen % 30 inguru hartzen baitute. Grafitozko kontsumigarrien kostuak murrizteko gakoa haien bizitza luzatzean datza. Britainia Handiko ikerketa talde baten datuen arabera, tantalio karburoko estaldurek grafitoko osagaien iraupena %30-50ean luza dezakete. TaC estalitako grafitoa erabiliz, SiC kristalen kostua % 9-15 murriztu daiteke ordezkatuz.TaC estalitako grafitoabakarrik.

3. Tantalo Karburoaren Estaldura Prozesua 

ren prestaketaTaC estaldurakhiru kategoriatan sailka daitezke: fase solidoko metodoa, fase likidoko metodoa eta gas faseko metodoa. Fase solidoaren metodoak murrizketa metodoa eta metodo konposatua barne hartzen ditu batez ere; fase likidoaren metodoak gatz urtuaren metodoa, sol-gel metodoa, minda-sinterizazio metodoa, plasma ihinztatze metodoa barne hartzen ditu; gas-fasearen metodoak lurrun-deposizio kimikoa (CVD), lurrun kimikoaren infiltrazioa (CVI) eta lurrun-jadatze fisikoa (PVD) metodoak barne hartzen ditu, etab. Metodo bakoitzak bere abantailak eta eragozpenak ditu, CVD izanik metodo helduena eta erabiliena. TaC estaldurak prestatzea. Prozesuaren etengabeko hobekuntzarekin, teknika berriak garatu dira, hala nola, hari beroko lurrun kimikoen deposizioa eta ioi-sorta bidezko lurrun kimikoen deposizioa.

TaC estaldurak karbono-oinarritutako materialak, batez ere, grafitoa, karbono-zuntzak eta karbono/karbono material konposatuak dira. Prestatzeko metodoakTaC estaldurak grafitoanbesteak beste, plasma ihinztatzea, CVD, minda-sinterizazioa, etab.

CVD metodoaren abantailak: PrestaketaTaC estaldurakCVD bidez oinarritzen datantalio-halogenuroak (TaX5) tantalio-iturri gisa eta hidrokarburoak (CnHm) karbono-iturri gisa. Baldintza espezifikoetan, material hauek Ta eta C-tan deskonposatzen dira, eta horiek eratzeko erreakzionatzen duteTaC estaldurak. CVD tenperatura baxuagoetan egin daiteke, eta, horrela, tenperatura altuko estaldura prestatzean edo tratamenduan sor daitezkeen akatsak eta propietate mekaniko murritzak saihestuz. Estalduen konposizioa eta egitura CVD bidez kontrola daitezke, garbitasun handia, dentsitate handia eta lodiera uniformea ​​eskainiz. Are garrantzitsuagoa dena, CVD-k kalitate handiko TaC estaldurak prestatzeko metodo heldua eta oso onartua eskaintzen du.erraz kontrola daitezkeen osaera eta egitura.

Prozesuan eragiten duten faktore nagusiak hauek dira:

(1) Gas-emari-tasa (tantalio-iturria, hidrokarburo-gasa karbono-iturri gisa, gas eramailea, Ar2 gas diluitzailea, H2 gas erreduzitzailea):Gas-emariaren aldaketek nabarmen eragiten dute erreakzio-ganberaren tenperatura, presioa eta gas-fluxuaren eremuan, eta estalduraren konposizioan, egituran eta propietateetan aldaketak eragiten dituzte. Ar fluxua handitzeak estalduraren hazkuntza-tasa motelduko du eta alearen tamaina murriztuko du, TaCl5, H2 eta C3H6-ren masa molar-erlazioak estalduraren konposizioan eragiten duen bitartean. H2-ren TaCl5-ren erlazio molarra (15-20): 1-en da egokiena, eta TaCl5-ren C3H6-ren arteko erlazio molarra 3:1etik hurbil dago. TaCl5 edo C3H6 gehiegizkoak Ta2C edo Karbono askea sortzea eragin dezake, oblearen kalitatea eraginez.

(2) Deposizio-tenperatura:Deposizio-tenperatura altuagoek jalkitze-tasa azkarragoak, ale-tamaina handiagoak eta estaldura zakarragoak eragiten dituzte. Gainera, hidrokarburoen deskonposizio-tenperaturak eta tasak C eta TaCl5 Ta bihurtzeko desberdinak dira, eta Ta2C errazago eratzen da. Tenperaturak eragin handia du TaC estalduraz eraldatutako karbono-materialean, tenperatura altuagoek jalkitze-tasak, ale-tamainak handituz, forma esferikoetatik poliedrikoetara aldatuz. Gainera, tenperatura altuagoek TaCl5 deskonposizioa bizkortzen dute, karbono librea murrizten dute, estalduretan barneko tentsioa areagotzen dute eta pitzadura eragin dezakete. Dena den, deposizio-tenperatura baxuagoek estalduraren deposizioaren eraginkortasuna murriztu dezakete, deposizio-denbora luzatu eta lehengaien kostuak handitu ditzakete.

(3) Deposizio-presioa:Deposizio-presioa estu lotuta dago materialen gainazaleko energia askearekin eta erreakzio-ganberako gasen egonaldi-denborari eragiten dio, eta, ondorioz, estalduren nukleazio-tasa eta ale-tamaina eragiten du. Deposizio-presioa handitzen den heinean, gasaren egoitza-denbora luzatzen da, erreaktiboei nukleazio-erreakzioetarako denbora gehiago emanez, erreakzio-abiadurak handituz, aleak handituz eta estaldurak lodituz. Aitzitik, deposizio-presioa jaistea gasaren egoitza-denbora murrizten da, erreakzio-abiadurak moteltzen ditu, alearen tamaina murrizten du, estaldurak mehetzen ditu, baina deposizio-presioak gutxieneko eragina du kristal-egituran eta estalduren konposizioan.

4. Tantalo Karburoaren Estalduraren Garapenaren joerak 

TaC-ren hedapen termikoaren koefizientea (6,6 × 10−6K−1) karbono-oinarritutako materialen apur bat desberdina da grafitoa, karbono-zuntzak, C/C material konposatuak bezalakoak, eta fase bakarreko TaC estaldurak pitzatzea edo delaminatzea errazten du. TaC estalduren oxidazio-erresistentzia, tenperatura altuko egonkortasun mekanikoa eta korrosio kimikoaren erresistentzia are gehiago hobetzeko, ikertzaileek ikerketak egin dituzte.estaldura konposatuak, disoluzio solidoen estaldura sendotzeko, estaldura gradienteak, etab.

Estaldura konposatuek estaldura bakarreko pitzadurak zigilatzen dituzte TaC-ren gainazalean edo barruko geruzetan estaldura osagarriak sartuz, estaldura konposatuen sistemak osatuz. HfC, ZrC, etab. bezalako soluzio solidoen sendotze-sistemek TaC-ren aurpegi-zentratutako egitura kubiko bera dute, bi karburoen arteko disolbagarritasun infinitua ahalbidetuz disoluzio solidoaren egitura osatzeko. Hf(Ta)C estaldurak pitzadurarik gabekoak dira eta atxikimendu ona erakusten dute C/C material konposatuekin. Estaldura hauek erreduraren erresistentzia bikaina eskaintzen dute. Gradiente-estaldurak estaldura-osagaien lodieran zehar gradiente etengabeko banaketa duten estaldurak dira. Egitura honek barneko tentsioa murrizten du, hedapen termikoko koefizientea parekatzeko arazoak hobetu eta pitzadurak sortzea saihestu dezake.

5. Tantalio-karburoaren estaldura-gailuen produktuak

QYR (Hengzhou Bozhi) estatistiken eta aurreikuspenen arabera, salmenta globalakTantalo Karburozko estaldurak2021ean 1.5986 milioi dolarra iritsi zen (Cree-ren autoekoiztutako Tantalum Carbide estaldura-gailuen produktuak kenduta), industria garapenaren hasierako fasean dagoela adieraziz.

(1) Kristalak hazteko beharrezkoak diren hedapen-eraztunak eta arragoa:Enpresa bakoitzeko 200 kristal hazteko labeetan oinarrituta kalkulatua, merkatu-kuotaTaC estaldura30 kristal hazteko enpresek eskatzen duten gailua 4.700 milioi RMB da gutxi gorabehera.

(2) TaC erretiluak:Erretilu bakoitzak 3 ostia eraman ditzake, erretilu bakoitzeko hilabete bateko iraupenarekin. 100 obleek erretilu bat kontsumitzen dute. 3 milioi oblek 30.000 behar dituzteTaC erretiluak, erretilu bakoitzak 20.000 pieza inguru dituelarik, urtean 6.000 milioi inguru guztira.

(3) Deskarbonizazioko beste eszenatoki batzuk.Gutxi gorabehera 1.000 milioi tenperatura altuko labeen estalkietarako, CVD toberetarako, labe-hodietarako, etab.**