वर्तमान समय में अर्धचालकों की तीसरी पीढ़ी का बोलबाला हैसिलिकन कार्बाइड. इसके उपकरणों की लागत संरचना में, सब्सट्रेट का हिस्सा 47% है, और एपिटेक्सी का हिस्सा 23% है। दोनों मिलकर लगभग 70% बनाते हैं, जो इसका सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा हैसिलिकन कार्बाइडउपकरण निर्माण उद्योग श्रृंखला।
तैयारी के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधिसिलिकन कार्बाइडएकल क्रिस्टल पीवीटी (भौतिक वाष्प परिवहन) विधि है। सिद्धांत कच्चे माल को उच्च तापमान क्षेत्र में और बीज क्रिस्टल को अपेक्षाकृत कम तापमान क्षेत्र में बनाना है। उच्च तापमान पर कच्चा माल विघटित हो जाता है और तरल चरण के बिना सीधे गैस चरण वाले पदार्थ उत्पन्न करता है। इन गैस चरण पदार्थों को अक्षीय तापमान प्रवणता के तहत बीज क्रिस्टल में ले जाया जाता है, और न्यूक्लियेट और सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल बनाने के लिए बीज क्रिस्टल में विकसित होते हैं। वर्तमान में, क्री, II-VI, SiCrystal, Dow जैसी विदेशी कंपनियाँ और Tianyue Advanced, Tianke Heda और सेंचुरी गोल्डन कोर जैसी घरेलू कंपनियाँ सभी इस पद्धति का उपयोग करती हैं।
सिलिकॉन कार्बाइड के 200 से अधिक क्रिस्टल रूप हैं, और आवश्यक एकल क्रिस्टल रूप (मुख्यधारा 4H क्रिस्टल रूप है) उत्पन्न करने के लिए बहुत सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। तियान्यू एडवांस्ड के प्रॉस्पेक्टस के अनुसार, 2018-2020 और H1 2021 में कंपनी की क्रिस्टल रॉड पैदावार क्रमशः 41%, 38.57%, 50.73% और 49.90% थी, और सब्सट्रेट पैदावार क्रमशः 72.61%, 75.15%, 70.44% और 75.47% थी। व्यापक उपज वर्तमान में केवल 37.7% है। एक उदाहरण के रूप में मुख्यधारा पीवीटी पद्धति को लेते हुए, कम उपज मुख्य रूप से SiC सब्सट्रेट तैयारी में निम्नलिखित कठिनाइयों के कारण है:
1. तापमान क्षेत्र नियंत्रण में कठिनाई: SiC क्रिस्टल छड़ों को 2500 ℃ के उच्च तापमान पर उत्पादित करने की आवश्यकता होती है, जबकि सिलिकॉन क्रिस्टल को केवल 1500 ℃ की आवश्यकता होती है, इसलिए विशेष एकल क्रिस्टल भट्टियों की आवश्यकता होती है, और उत्पादन के दौरान विकास तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है , जिसे नियंत्रित करना बेहद मुश्किल है।
2. धीमी उत्पादन गति: पारंपरिक सिलिकॉन सामग्री की वृद्धि दर 300 मिमी प्रति घंटा है, लेकिन सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल केवल 400 माइक्रोन प्रति घंटे तक बढ़ सकते हैं, जो लगभग 800 गुना अंतर है।
3. अच्छे उत्पाद मापदंडों के लिए उच्च आवश्यकताएं, और ब्लैक बॉक्स उपज को समय पर नियंत्रित करना मुश्किल है: SiC वेफर्स के मुख्य मापदंडों में माइक्रोट्यूब घनत्व, अव्यवस्था घनत्व, प्रतिरोधकता, वारपेज, सतह खुरदरापन आदि शामिल हैं। क्रिस्टल विकास प्रक्रिया के दौरान, यह है सिलिकॉन-कार्बन अनुपात, विकास तापमान प्रवणता, क्रिस्टल विकास दर और वायु प्रवाह दबाव जैसे मापदंडों को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए आवश्यक है। अन्यथा, बहुरूपी समावेशन होने की संभावना है, जिसके परिणामस्वरूप अयोग्य क्रिस्टल बनेंगे। ग्रेफाइट क्रूसिबल के ब्लैक बॉक्स में, वास्तविक समय में क्रिस्टल विकास की स्थिति का निरीक्षण करना असंभव है, और बहुत सटीक थर्मल क्षेत्र नियंत्रण, सामग्री मिलान और अनुभव संचय की आवश्यकता होती है।
4. क्रिस्टल विस्तार में कठिनाई: गैस चरण परिवहन विधि के तहत, SiC क्रिस्टल विकास की विस्तार तकनीक बेहद कठिन है। जैसे-जैसे क्रिस्टल का आकार बढ़ता है, इसकी वृद्धि की कठिनाई तेजी से बढ़ती है।
5. आम तौर पर कम उपज: कम उपज मुख्य रूप से दो लिंक से बनी होती है: (1) क्रिस्टल रॉड उपज = अर्धचालक-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट/(अर्धचालक-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट + गैर-अर्धचालक-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट) × 100%; (2) सब्सट्रेट उपज = योग्य सब्सट्रेट आउटपुट/(योग्य सब्सट्रेट आउटपुट + अयोग्य सब्सट्रेट आउटपुट) × 100%।
उच्च गुणवत्ता और उच्च उपज की तैयारी मेंसिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटउत्पादन तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए कोर को बेहतर तापीय क्षेत्र सामग्री की आवश्यकता होती है। वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले थर्मल फील्ड क्रूसिबल किट मुख्य रूप से उच्च शुद्धता वाले ग्रेफाइट संरचनात्मक भाग हैं, जिनका उपयोग कार्बन पाउडर और सिलिकॉन पाउडर को गर्म करने और पिघलाने और गर्म रखने के लिए किया जाता है। ग्रेफाइट सामग्री में उच्च विशिष्ट शक्ति और विशिष्ट मापांक, अच्छे थर्मल शॉक प्रतिरोध और संक्षारण प्रतिरोध की विशेषताएं होती हैं, लेकिन उच्च तापमान वाले ऑक्सीजन वातावरण में आसानी से ऑक्सीकरण होने, अमोनिया के प्रतिरोधी नहीं होने और खराब खरोंच प्रतिरोध के नुकसान होते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड की प्रक्रिया में एकल क्रिस्टल विकास औरसिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल वेफरउत्पादन में, ग्रेफाइट सामग्री के उपयोग के लिए लोगों की बढ़ती कठोर आवश्यकताओं को पूरा करना मुश्किल है, जो इसके विकास और व्यावहारिक अनुप्रयोग को गंभीर रूप से प्रतिबंधित करता है। इसलिए, टैंटलम कार्बाइड जैसी उच्च तापमान वाली कोटिंग्स उभरने लगी हैं।
2. के लक्षणटैंटलम कार्बाइड कोटिंग
TaC सिरेमिक का गलनांक 3880℃ तक, उच्च कठोरता (Mohs कठोरता 9-10), बड़ी तापीय चालकता (22W·m-1·K−1), बड़ी झुकने की ताकत (340-400MPa), और छोटा तापीय विस्तार होता है। गुणांक (6.6×10−6K−1), और उत्कृष्ट थर्मोकेमिकल स्थिरता और उत्कृष्ट भौतिक गुण प्रदर्शित करता है। इसमें ग्रेफाइट और सी/सी मिश्रित सामग्री के साथ अच्छी रासायनिक अनुकूलता और यांत्रिक अनुकूलता है। इसलिए, TaC कोटिंग का उपयोग एयरोस्पेस थर्मल प्रोटेक्शन, सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ, ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक्स और चिकित्सा उपकरणों में व्यापक रूप से किया जाता है।
TaC-लेपितग्रेफाइट में नंगे ग्रेफाइट या SiC-लेपित ग्रेफाइट की तुलना में बेहतर रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध होता है, इसे 2600° के उच्च तापमान पर स्थिर रूप से उपयोग किया जा सकता है, और यह कई धातु तत्वों के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है। यह तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल विकास और वेफर नक़्क़ाशी परिदृश्यों में सबसे अच्छी कोटिंग है। यह प्रक्रिया और तैयारी में तापमान और अशुद्धियों के नियंत्रण में काफी सुधार कर सकता हैउच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्सऔर संबंधितएपिटैक्सियल वेफर्स. यह विशेष रूप से एमओसीवीडी उपकरण के साथ GaN या AlN एकल क्रिस्टल को बढ़ाने और पीवीटी उपकरण के साथ SiC एकल क्रिस्टल को बढ़ाने के लिए उपयुक्त है, और विकसित एकल क्रिस्टल की गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ है।
तृतीय. टैंटलम कार्बाइड लेपित उपकरणों के लाभ
टैंटलम कार्बाइड TaC कोटिंग के उपयोग से क्रिस्टल किनारे दोष की समस्या का समाधान हो सकता है और क्रिस्टल विकास की गुणवत्ता में सुधार हो सकता है। यह "तेज़ी से बढ़ना, मोटा होना और लंबा होना" की मुख्य तकनीकी दिशाओं में से एक है। उद्योग अनुसंधान से यह भी पता चला है कि टैंटलम कार्बाइड लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबल अधिक समान हीटिंग प्राप्त कर सकता है, जिससे SiC एकल क्रिस्टल विकास के लिए उत्कृष्ट प्रक्रिया नियंत्रण प्रदान किया जा सकता है, जिससे SiC क्रिस्टल के किनारे पर पॉलीक्रिस्टलाइन गठन की संभावना काफी कम हो जाती है। इसके अलावा, टैंटलम कार्बाइड ग्रेफाइट कोटिंग के दो प्रमुख फायदे हैं:
(I) SiC दोषों को कम करना
SiC एकल क्रिस्टल दोषों को नियंत्रित करने के संदर्भ में, आमतौर पर तीन महत्वपूर्ण तरीके हैं। विकास मापदंडों और उच्च गुणवत्ता वाली स्रोत सामग्री (जैसे SiC स्रोत पाउडर) को अनुकूलित करने के अलावा, टैंटलम कार्बाइड लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबल का उपयोग करके अच्छी क्रिस्टल गुणवत्ता भी प्राप्त की जा सकती है।
पारंपरिक ग्रेफाइट क्रूसिबल (ए) और टीएसी लेपित क्रूसिबल (बी) का योजनाबद्ध आरेख
कोरिया में पूर्वी यूरोप विश्वविद्यालय के शोध के अनुसार, SiC क्रिस्टल वृद्धि में मुख्य अशुद्धता नाइट्रोजन है, और टैंटलम कार्बाइड लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबल SiC क्रिस्टल के नाइट्रोजन समावेश को प्रभावी ढंग से सीमित कर सकते हैं, जिससे माइक्रोपाइप जैसे दोषों की उत्पत्ति कम हो जाती है और क्रिस्टल में सुधार होता है। गुणवत्ता। अध्ययनों से पता चला है कि समान परिस्थितियों में, पारंपरिक ग्रेफाइट क्रूसिबल और टीएसी लेपित क्रूसिबल में उगाए गए SiC वेफर्स की वाहक सांद्रता क्रमशः 4.5×1017/सेमी और 7.6×1015/सेमी है।
पारंपरिक ग्रेफाइट क्रूसिबल (ए) और टीएसी लेपित क्रूसिबल (बी) में उगाए गए SiC एकल क्रिस्टल में दोषों की तुलना
(II) ग्रेफाइट क्रूसिबल के जीवन में सुधार
वर्तमान में, SiC क्रिस्टल की लागत अधिक बनी हुई है, जिसमें ग्रेफाइट उपभोग्य सामग्रियों की लागत लगभग 30% है। ग्रेफाइट उपभोग्य सामग्रियों की लागत को कम करने की कुंजी इसकी सेवा जीवन को बढ़ाना है। एक ब्रिटिश शोध टीम के आंकड़ों के अनुसार, टैंटलम कार्बाइड कोटिंग्स ग्रेफाइट घटकों की सेवा जीवन को 30-50% तक बढ़ा सकती हैं। इस गणना के अनुसार, केवल टैंटलम कार्बाइड लेपित ग्रेफाइट को बदलने से SiC क्रिस्टल की लागत 9% -15% तक कम हो सकती है।
4. टैंटलम कार्बाइड कोटिंग तैयार करने की प्रक्रिया
TaC कोटिंग तैयारी विधियों को तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: ठोस चरण विधि, तरल चरण विधि और गैस चरण विधि। ठोस चरण विधि में मुख्य रूप से कमी विधि और रासायनिक विधि शामिल है; तरल चरण विधि में पिघला हुआ नमक विधि, सोल-जेल विधि (सोल-जेल), घोल-सिंटरिंग विधि, प्लाज्मा छिड़काव विधि शामिल है; गैस चरण विधि में रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), रासायनिक वाष्प घुसपैठ (सीवीआई) और भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) शामिल हैं। विभिन्न तरीकों के अपने-अपने फायदे और नुकसान हैं। उनमें से, सीवीडी टीएसी कोटिंग्स तैयार करने के लिए एक अपेक्षाकृत परिपक्व और व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली विधि है। प्रक्रिया के निरंतर सुधार के साथ, गर्म तार रासायनिक वाष्प जमाव और आयन बीम सहायता प्राप्त रासायनिक वाष्प जमाव जैसी नई प्रक्रियाएं विकसित की गई हैं।
TaC कोटिंग संशोधित कार्बन-आधारित सामग्रियों में मुख्य रूप से ग्रेफाइट, कार्बन फाइबर और कार्बन/कार्बन मिश्रित सामग्री शामिल हैं। ग्रेफाइट पर TaC कोटिंग तैयार करने की विधियों में प्लाज्मा छिड़काव, CVD, स्लरी सिंटरिंग आदि शामिल हैं।
सीवीडी विधि के लाभ: TaC कोटिंग्स तैयार करने के लिए CVD विधि टैंटलम स्रोत के रूप में टैंटलम हैलाइड (TaX5) और कार्बन स्रोत के रूप में हाइड्रोकार्बन (CnHm) पर आधारित है। कुछ शर्तों के तहत, वे क्रमशः टा और सी में विघटित हो जाते हैं, और फिर टीएसी कोटिंग प्राप्त करने के लिए एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। सीवीडी विधि को कम तापमान पर किया जा सकता है, जो कुछ हद तक उच्च तापमान की तैयारी या कोटिंग्स के उपचार के कारण होने वाले दोषों और कम यांत्रिक गुणों से बच सकता है। कोटिंग की संरचना और संरचना नियंत्रणीय है, और इसमें उच्च शुद्धता, उच्च घनत्व और समान मोटाई के फायदे हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि सीवीडी द्वारा तैयार टीएसी कोटिंग्स की संरचना और संरचना को डिजाइन और आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है। यह उच्च गुणवत्ता वाली TaC कोटिंग्स तैयार करने के लिए एक अपेक्षाकृत परिपक्व और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है।
प्रक्रिया को प्रभावित करने वाले मुख्य कारकों में शामिल हैं:
A. गैस प्रवाह दर (टैंटलम स्रोत, कार्बन स्रोत के रूप में हाइड्रोकार्बन गैस, वाहक गैस, कमजोर पड़ने वाली गैस Ar2, गैस H2 को कम करना): गैस प्रवाह दर में परिवर्तन का तापमान क्षेत्र, दबाव क्षेत्र और गैस प्रवाह क्षेत्र पर बहुत प्रभाव पड़ता है। प्रतिक्रिया कक्ष, जिसके परिणामस्वरूप कोटिंग की संरचना, संरचना और प्रदर्शन में परिवर्तन होता है। Ar प्रवाह दर बढ़ने से कोटिंग की वृद्धि दर धीमी हो जाएगी और दाने का आकार कम हो जाएगा, जबकि TaCl5, H2 और C3H6 का दाढ़ द्रव्यमान अनुपात कोटिंग संरचना को प्रभावित करता है। H2 से TaCl5 का मोलर अनुपात (15-20):1 है, जो अधिक उपयुक्त है। TaCl5 से C3H6 का मोलर अनुपात सैद्धांतिक रूप से 3:1 के करीब है। अत्यधिक TaCl5 या C3H6 Ta2C या मुक्त कार्बन के निर्माण का कारण बनेगा, जिससे वेफर की गुणवत्ता प्रभावित होगी।
बी. जमाव तापमान: जमाव तापमान जितना अधिक होगा, जमाव दर उतनी ही तेज होगी, दाने का आकार उतना बड़ा होगा और कोटिंग उतनी ही खुरदरी होगी। इसके अलावा, हाइड्रोकार्बन के C में अपघटन और TaCl5 के Ta में अपघटन का तापमान और गति अलग-अलग होती है, और Ta और C से Ta2C बनने की अधिक संभावना होती है। TaC कोटिंग संशोधित कार्बन सामग्री पर तापमान का बहुत प्रभाव पड़ता है। जैसे-जैसे जमाव तापमान बढ़ता है, जमाव दर बढ़ती है, कण का आकार बढ़ता है, और कण का आकार गोलाकार से बहुफलकीय में बदल जाता है। इसके अलावा, जमाव तापमान जितना अधिक होगा, TaCl5 का अपघटन उतना ही तेज होगा, मुक्त C उतना ही कम होगा, कोटिंग में तनाव उतना ही अधिक होगा और दरारें आसानी से उत्पन्न होंगी। हालाँकि, कम जमाव तापमान से कोटिंग जमाव दक्षता कम होगी, जमाव समय लंबा होगा और कच्चे माल की लागत अधिक होगी।
सी. जमाव दबाव: जमाव दबाव का भौतिक सतह की मुक्त ऊर्जा से गहरा संबंध है और यह प्रतिक्रिया कक्ष में गैस के निवास समय को प्रभावित करेगा, जिससे कोटिंग के न्यूक्लियेशन गति और कण आकार पर असर पड़ेगा। जैसे-जैसे जमाव दबाव बढ़ता है, गैस निवास का समय लंबा हो जाता है, अभिकारकों को न्यूक्लियेशन प्रतिक्रियाओं से गुजरने के लिए अधिक समय मिलता है, प्रतिक्रिया दर बढ़ जाती है, कण बड़े हो जाते हैं, और कोटिंग मोटी हो जाती है; इसके विपरीत, जैसे-जैसे जमाव दबाव कम होता जाता है, प्रतिक्रिया गैस निवास का समय कम होता जाता है, प्रतिक्रिया दर धीमी हो जाती है, कण छोटे हो जाते हैं, और कोटिंग पतली हो जाती है, लेकिन जमाव दबाव का क्रिस्टल संरचना और कोटिंग की संरचना पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है।
V. टैंटलम कार्बाइड कोटिंग के विकास की प्रवृत्ति
TaC (6.6×10−6K−1) का थर्मल विस्तार गुणांक कार्बन-आधारित सामग्रियों जैसे ग्रेफाइट, कार्बन फाइबर और C/C मिश्रित सामग्री से कुछ अलग है, जिससे एकल-चरण TaC कोटिंग्स में दरार पड़ने का खतरा होता है और से गिरने। टीएसी कोटिंग्स के अपस्फीति और ऑक्सीकरण प्रतिरोध, उच्च तापमान यांत्रिक स्थिरता और उच्च तापमान रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध को और बेहतर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने मिश्रित कोटिंग सिस्टम, ठोस समाधान-संवर्धित कोटिंग सिस्टम और ग्रेडिएंट जैसे कोटिंग सिस्टम पर शोध किया है। कोटिंग सिस्टम.
समग्र कोटिंग प्रणाली एकल कोटिंग की दरारों को बंद करने के लिए है। आमतौर पर, समग्र कोटिंग प्रणाली बनाने के लिए अन्य कोटिंग्स को TaC की सतह या आंतरिक परत में पेश किया जाता है; ठोस घोल को मजबूत करने वाली कोटिंग प्रणाली HfC, ZrC, आदि में TaC के समान ही चेहरा-केंद्रित घन संरचना होती है, और ठोस घोल संरचना बनाने के लिए दो कार्बाइड एक दूसरे में असीम रूप से घुलनशील हो सकते हैं। Hf(Ta)C कोटिंग दरार रहित है और इसमें C/C मिश्रित सामग्री पर अच्छा आसंजन है। कोटिंग में उत्कृष्ट एंटी-एब्लेशन प्रदर्शन है; ग्रेडिएंट कोटिंग प्रणाली ग्रेडिएंट कोटिंग इसकी मोटाई दिशा के साथ कोटिंग घटक एकाग्रता को संदर्भित करती है। संरचना आंतरिक तनाव को कम कर सकती है, थर्मल विस्तार गुणांक के बेमेल में सुधार कर सकती है और दरारों से बच सकती है।
(II) टैंटलम कार्बाइड कोटिंग डिवाइस उत्पाद
QYR (हेंगझोउ बोझी) के आंकड़ों और पूर्वानुमानों के अनुसार, 2021 में वैश्विक टैंटलम कार्बाइड कोटिंग बाजार की बिक्री 1.5986 मिलियन अमेरिकी डॉलर (क्री के स्व-निर्मित और स्व-आपूर्ति वाले टैंटलम कार्बाइड कोटिंग डिवाइस उत्पादों को छोड़कर) तक पहुंच गई, और यह अभी भी शुरुआती चरण में है। उद्योग विकास के चरण.
1. क्रिस्टल विकास के लिए आवश्यक क्रिस्टल विस्तार रिंग और क्रूसिबल: प्रति उद्यम 200 क्रिस्टल विकास भट्टियों के आधार पर, 30 क्रिस्टल विकास कंपनियों द्वारा आवश्यक TaC लेपित उपकरणों की बाजार हिस्सेदारी लगभग 4.7 बिलियन युआन है।
2. TaC ट्रे: प्रत्येक ट्रे 3 वेफर्स ले जा सकती है, प्रत्येक ट्रे का उपयोग 1 महीने तक किया जा सकता है, और प्रत्येक 100 वेफर्स के लिए 1 ट्रे की खपत होती है। 3 मिलियन वेफर्स के लिए 30,000 TaC ट्रे की आवश्यकता होती है, प्रत्येक ट्रे में लगभग 20,000 टुकड़े होते हैं, और प्रत्येक वर्ष लगभग 600 मिलियन की आवश्यकता होती है।
3. अन्य कार्बन कटौती परिदृश्य। जैसे उच्च तापमान भट्ठी अस्तर, सीवीडी नोजल, भट्ठी पाइप, आदि, लगभग 100 मिलियन।
पोस्ट समय: जुलाई-02-2024