Aktualisht, gjenerata e tretë e gjysmëpërçuesve dominohet ngakarabit silikoni. Në strukturën e kostos së pajisjeve të tij, nënshtresa zë 47%, dhe epitaksi zë 23%. Të dy së bashku përbëjnë rreth 70%, që është pjesa më e rëndësishme ekarabit silikonizinxhiri i industrisë së prodhimit të pajisjeve.
Metoda e përdorur zakonisht për përgatitjenkarabit silikonitek kristalet është metoda PVT (transporti fizik i avullit). Parimi është që lëndët e para të bëhen në një zonë me temperaturë të lartë dhe kristali i farës në një zonë me temperaturë relativisht të ulët. Lëndët e para në një temperaturë më të lartë dekompozohen dhe prodhojnë drejtpërdrejt substanca të fazës së gazit pa fazë të lëngshme. Këto substanca të fazës së gazit transportohen në kristalin e farës nën drejtimin e gradientit të temperaturës boshtore, dhe bërthamohen dhe rriten në kristalin e farës për të formuar një kristal të vetëm karabit silikoni. Aktualisht, kompanitë e huaja si Cree, II-VI, SiCrystal, Dow dhe kompanitë vendase si Tianyue Advanced, Tianke Heda dhe Century Golden Core përdorin të gjitha këtë metodë.
Ekzistojnë më shumë se 200 forma kristalore të karbitit të silikonit dhe kërkohet një kontroll shumë i saktë për të gjeneruar formën e kërkuar të vetme kristal (rryma kryesore është forma kristal 4H). Sipas prospektit të Tianyue Advanced, rendimentet e shufrës së kristalit të kompanisë në vitet 2018-2020 dhe gjashtëmujorin e parë të vitit 2021 ishin përkatësisht 41%, 38,57%, 50,73% dhe 49,90%, dhe rendimentet e substratit ishin përkatësisht .72,45% dhe 72,45%, 7% dhe 7% Rendimenti gjithëpërfshirës aktualisht është vetëm 37.7%. Duke marrë si shembull metodën kryesore PVT, rendimenti i ulët është kryesisht për shkak të vështirësive të mëposhtme në përgatitjen e substratit SiC:
1. Vështirësi në kontrollin e fushës së temperaturës: Shufrat e kristalit SiC duhet të prodhohen në një temperaturë të lartë prej 2500℃, ndërsa kristalet e silikonit kanë nevojë vetëm për 1500℃, kështu që kërkohen furra speciale me një kristal dhe temperatura e rritjes duhet të kontrollohet saktësisht gjatë prodhimit. , e cila është jashtëzakonisht e vështirë për t'u kontrolluar.
2. Shpejtësia e ngadaltë e prodhimit: Shpejtësia e rritjes së materialeve tradicionale të silikonit është 300 mm në orë, por kristalet e karabit të silikonit mund të rriten vetëm 400 mikronë në orë, që është gati 800 herë diferenca.
3. Kërkesat e larta për parametra të mirë të produktit dhe rendimenti i kutisë së zezë është i vështirë për t'u kontrolluar në kohë: Parametrat thelbësorë të vaferave SiC përfshijnë densitetin e mikrotubit, densitetin e zhvendosjes, rezistencën, shtrembërimin, vrazhdësinë e sipërfaqes, etj. Gjatë procesit të rritjes së kristalit, është të nevojshme për të kontrolluar me saktësi parametra të tillë si raporti silikon-karbon, gradienti i temperaturës së rritjes, shpejtësia e rritjes së kristalit dhe presioni i rrjedhës së ajrit. Përndryshe, ka të ngjarë të ndodhin përfshirje polimorfike, duke rezultuar në kristale të pakualifikuar. Në kutinë e zezë të kutisë së grafitit, është e pamundur të vëzhgohet statusi i rritjes së kristalit në kohë reale dhe kërkohet kontroll shumë i saktë i fushës termike, përputhja e materialit dhe akumulimi i përvojës.
4. Vështirësia në zgjerimin e kristalit: Sipas metodës së transportit të fazës së gazit, teknologjia e zgjerimit të rritjes së kristalit SiC është jashtëzakonisht e vështirë. Ndërsa madhësia e kristalit rritet, vështirësia e rritjes së tij rritet në mënyrë eksponenciale.
5. Rendimenti përgjithësisht i ulët: Rendimenti i ulët përbëhet kryesisht nga dy lidhje: (1) Rendimenti i shufrës kristal = prodhimi i shufrës së kristalit të klasës gjysmëpërçuese/(dalja e shufrës së kristalit të klasës gjysmëpërçuese + prodhimi i shufrës së kristalit të klasës jo gjysmëpërçuese) × 100%; (2) Rendimenti i nënshtresës = prodhimi i kualifikuar i substratit/(dalja e kualifikuar e substratit + prodhimi i pakualifikuar i nënshtresës) × 100%.
Në përgatitjen e cilësisë së lartë dhe me rendiment të lartënënshtresat e karbitit të silikonit, bërthama ka nevojë për materiale më të mira të fushës termike për të kontrolluar me saktësi temperaturën e prodhimit. Kompletet e furrës termike që përdoren aktualisht janë kryesisht pjesë strukturore të grafitit me pastërti të lartë, të cilat përdoren për të ngrohur dhe shkrirë pluhurin e karbonit dhe pluhurin e silikonit dhe për të mbajtur ngrohtë. Materialet e grafitit kanë karakteristikat e forcës së lartë specifike dhe modulit specifik, rezistencës së mirë ndaj goditjeve termike dhe rezistencës ndaj korrozionit, por ato kanë disavantazhet e oksidimit të lehtë në mjedise me oksigjen me temperaturë të lartë, jo rezistente ndaj amoniakut dhe rezistencë të dobët ndaj gërvishtjeve. Në procesin e rritjes së karbitit të silikonit njëkristal dheMeshë epitaksiale e karbitit të silikonitprodhimi, është e vështirë të plotësohen kërkesat gjithnjë e më të rrepta të njerëzve për përdorimin e materialeve grafit, gjë që kufizon seriozisht zhvillimin dhe zbatimin e tij praktik. Prandaj, veshjet me temperaturë të lartë si karbidi i tantalit kanë filluar të shfaqen.
2. Karakteristikat eVeshje me karabit tantal
Qeramika TaC ka një pikë shkrirjeje deri në 3880℃, fortësi të lartë (fortësi Mohs 9-10), përçueshmëri të madhe termike (22W·m-1·K−1), forcë të madhe përkuljeje (340-400MPa) dhe zgjerim të vogël termik koeficienti (6,6×10−6K−1), dhe shfaq stabilitet të shkëlqyer termokimik dhe veti të shkëlqyera fizike. Ka pajtueshmëri të mirë kimike dhe përputhshmëri mekanike me grafitin dhe materialet e përbëra C/C. Prandaj, veshja TaC përdoret gjerësisht në mbrojtjen termike të hapësirës ajrore, rritjen e vetme kristalore, elektronikën e energjisë dhe pajisjet mjekësore.
E veshur me TaCgrafiti ka rezistencë më të mirë ndaj korrozionit kimik sesa grafiti i zhveshur ose grafiti i veshur me SiC, mund të përdoret në mënyrë të qëndrueshme në temperatura të larta prej 2600° dhe nuk reagon me shumë elementë metalikë. Është veshja më e mirë në skenarët e rritjes së kristalit gjysmëpërçues të gjeneratës së tretë dhe gdhendjes së vaferës. Mund të përmirësojë ndjeshëm kontrollin e temperaturës dhe papastërtive në proces dhe përgatitjevafera me karabit silikoni me cilësi të lartëdhe të lidhuravafera epitaksiale. Është veçanërisht i përshtatshëm për rritjen e kristaleve të vetme GaN ose AlN me pajisje MOCVD dhe rritjen e kristaleve të vetme SiC me pajisje PVT, dhe cilësia e kristaleve të vetme të rritura është përmirësuar ndjeshëm.
III. Përparësitë e pajisjeve të veshura me karabit tantal
Përdorimi i veshjes TaC të karbitit të tantalit mund të zgjidhë problemin e defekteve të skajeve të kristalit dhe të përmirësojë cilësinë e rritjes së kristalit. Është një nga drejtimet kryesore teknike të "rritjes së shpejtë, rritjes së trashë dhe rritjes së gjatë". Hulumtimi i industrisë ka treguar gjithashtu se Crucible Grafit të Veshura me Karbid Tantalum mund të arrijë ngrohje më uniforme, duke siguruar kështu një kontroll të shkëlqyer të procesit për rritjen e kristaleve të SiC, duke reduktuar ndjeshëm probabilitetin e formimit polikristalor në skajin e kristaleve SiC. Për më tepër, Veshja e Grafitit të Karbitit të Tantalit ka dy përparësi kryesore:
(I) Reduktimi i defekteve të SiC
Për sa i përket kontrollit të defekteve të kristalit të SiC, zakonisht ekzistojnë tre mënyra të rëndësishme. Përveç optimizimit të parametrave të rritjes dhe materialeve burimore me cilësi të lartë (si p.sh. pluhuri i burimit SiC), përdorimi i Crucibles Grafit të Veshura me Karbid Tantalum mund të arrijë gjithashtu cilësi të mirë kristal.
Diagrami skematik i enës konvencionale me grafit (a) dhe enës së veshur me TAC (b)
Sipas hulumtimit të Universitetit të Evropës Lindore në Kore, papastërtia kryesore në rritjen e kristalit SiC është azoti, dhe gropat e grafitit të veshura me karbid tantal mund të kufizojnë në mënyrë efektive përfshirjen e azotit të kristaleve SiC, duke reduktuar kështu gjenerimin e defekteve të tilla si mikrotubat dhe duke përmirësuar kristalin cilësisë. Studimet kanë treguar se në të njëjtat kushte, përqendrimet e bartësve të vaferave SiC të rritura në kavanoza konvencionale me grafit dhe në kavanoza të veshura me TAC janë përkatësisht afërsisht 4,5×1017/cm dhe 7,6×1015/cm.
Krahasimi i defekteve në kristalet e vetme SiC të rritura në kavanoza konvencionale me grafit (a) dhe në kavanoza të veshura me TAC (b)
(II) Përmirësimi i jetëgjatësisë së gropave të grafitit
Aktualisht, kostoja e kristaleve SiC ka mbetur e lartë, nga të cilat kostoja e materialeve harxhuese të grafitit përbën rreth 30%. Çelësi për uljen e kostos së materialeve harxhuese të grafitit është rritja e jetëgjatësisë së tij të shërbimit. Sipas të dhënave nga një ekip kërkimor britanik, veshjet e karbitit të tantalit mund të zgjasin jetën e shërbimit të përbërësve të grafit me 30-50%. Sipas kësaj llogaritjeje, vetëm zëvendësimi i grafitit të veshur me karbid tantal mund të zvogëlojë koston e kristaleve SiC me 9%-15%.
4. Procesi i përgatitjes së veshjes së karbitit të tantalit
Metodat e përgatitjes së veshjes TaC mund të ndahen në tre kategori: metoda e fazës së ngurtë, metoda e fazës së lëngshme dhe metoda e fazës së gazit. Metoda e fazës së ngurtë kryesisht përfshin metodën e reduktimit dhe metodën kimike; metoda e fazës së lëngshme përfshin metodën e kripës së shkrirë, metodën sol-gel (Sol-Gel), metodën e spërkatjes me slurry, metodën e spërkatjes me plazmë; metoda e fazës së gazit përfshin depozitimin kimik të avullit (CVD), infiltrimin kimik të avullit (CVI) dhe depozitimin fizik të avullit (PVD). Metoda të ndryshme kanë avantazhet dhe disavantazhet e tyre. Midis tyre, CVD është një metodë relativisht e pjekur dhe e përdorur gjerësisht për përgatitjen e veshjeve TaC. Me përmirësimin e vazhdueshëm të procesit, janë zhvilluar procese të reja si depozitimi kimik i avullit me tela të nxehtë dhe depozitimi i avullit kimik me ndihmën e rrezeve jonike.
Materialet me bazë karboni të modifikuara me veshje TaC përfshijnë kryesisht grafit, fibër karboni dhe materiale të përbërë karbon/karbon. Metodat për përgatitjen e veshjeve TaC në grafit përfshijnë spërkatjen e plazmës, CVD, sinterizimin me slurry, etj.
Përparësitë e metodës CVD: Metoda CVD për përgatitjen e veshjeve TaC bazohet në halogjen e tantalit (TaX5) si burim tantal dhe hidrokarbur (CnHm) si burim karboni. Në kushte të caktuara, ato zbërthehen përkatësisht në Ta dhe C, dhe më pas reagojnë me njëri-tjetrin për të marrë veshje TaC. Metoda CVD mund të kryhet në një temperaturë më të ulët, e cila mund të shmangë defektet dhe vetitë mekanike të reduktuara të shkaktuara nga përgatitja në temperaturë të lartë ose trajtimi i veshjeve në një masë të caktuar. Përbërja dhe struktura e veshjes janë të kontrollueshme dhe ka përparësitë e pastërtisë së lartë, densitetit të lartë dhe trashësisë uniforme. Më e rëndësishmja, përbërja dhe struktura e veshjeve TaC të përgatitura nga CVD mund të dizajnohen dhe kontrollohen lehtësisht. Është një metodë relativisht e pjekur dhe e përdorur gjerësisht për përgatitjen e veshjeve TaC me cilësi të lartë.
Faktorët kryesorë ndikues të procesit përfshijnë:
A. Shkalla e rrjedhës së gazit (burimi tantal, gazi hidrokarbur si burim karboni, gazi bartës, gazi hollues Ar2, gazi reduktues H2): Ndryshimi në shpejtësinë e rrjedhës së gazit ka një ndikim të madh në fushën e temperaturës, fushën e presionit dhe fushën e rrjedhës së gazit në dhoma e reagimit, duke rezultuar në ndryshime në përbërjen, strukturën dhe performancën e veshjes. Rritja e shkallës së rrjedhës Ar do të ngadalësojë shkallën e rritjes së veshjes dhe do të zvogëlojë madhësinë e kokrrizave, ndërsa raporti i masës molare të TaCl5, H2 dhe C3H6 ndikon në përbërjen e veshjes. Raporti molar i H2 me TaCl5 është (15-20):1, që është më i përshtatshëm. Raporti molar i TaCl5 me C3H6 është teorikisht afër 3:1. TaCl5 ose C3H6 e tepërt do të shkaktojë formimin e Ta2C ose karbonit të lirë, duke ndikuar në cilësinë e vaferës.
B. Temperatura e depozitimit: Sa më e lartë të jetë temperatura e depozitimit, aq më e shpejtë është shkalla e depozitimit, aq më e madhe është madhësia e kokrrës dhe aq më e ashpër është veshja. Për më tepër, temperatura dhe shpejtësia e dekompozimit të hidrokarbureve në C dhe dekompozimi TaCl5 në Ta janë të ndryshme, dhe Ta dhe C kanë më shumë gjasa të formojnë Ta2C. Temperatura ka një ndikim të madh në materialet e karbonit të modifikuar të veshjes TaC. Ndërsa temperatura e depozitimit rritet, shpejtësia e depozitimit rritet, madhësia e grimcave rritet dhe forma e grimcave ndryshon nga sferike në shumëkëndëshe. Për më tepër, sa më e lartë të jetë temperatura e depozitimit, aq më shpejt dekompozimi i TaCl5, aq më pak i lirë do të jetë C, aq më i madh do të jetë stresi në veshje dhe do të krijohen lehtësisht çarje. Megjithatë, temperatura e ulët e depozitimit do të çojë në efikasitet më të ulët të depozitimit të veshjes, kohë më të gjatë depozitimi dhe kosto më të larta të lëndës së parë.
C. Presioni i depozitimit: Presioni i depozitimit është i lidhur ngushtë me energjinë e lirë të sipërfaqes së materialit dhe do të ndikojë në kohën e qëndrimit të gazit në dhomën e reaksionit, duke ndikuar kështu në shpejtësinë e bërthamimit dhe madhësinë e grimcave të veshjes. Ndërsa presioni i depozitimit rritet, koha e qëndrimit të gazit bëhet më e gjatë, reaktantët kanë më shumë kohë për t'iu nënshtruar reaksioneve të bërthamës, shpejtësia e reagimit rritet, grimcat bëhen më të mëdha dhe veshja bëhet më e trashë; anasjelltas, ndërsa presioni i depozitimit zvogëlohet, koha e qëndrimit të gazit të reaksionit është e shkurtër, shpejtësia e reagimit ngadalësohet, grimcat bëhen më të vogla dhe veshja është më e hollë, por presioni i depozitimit ka pak efekt në strukturën kristalore dhe përbërjen e veshjes.
V. Tendenca e zhvillimit të veshjes së karbitit të tantalit
Koeficienti i zgjerimit termik të TaC (6.6×10−6K−1) është disi i ndryshëm nga ai i materialeve me bazë karboni si grafiti, fibra karboni dhe materialet e përbëra C/C, gjë që i bën veshjet njëfazore TaC të prirur ndaj plasaritjes dhe duke rënë. Për të përmirësuar më tej rezistencën ndaj ablacionit dhe oksidimit, stabilitetin mekanik në temperaturë të lartë dhe rezistencën ndaj korrozionit kimik në temperaturë të lartë të veshjeve TaC, studiuesit kanë kryer kërkime mbi sistemet e veshjes si sistemet e veshjes së përbërë, sistemet e veshjes me zgjidhje të forta dhe gradient sistemet e veshjes.
Sistemi i veshjes së përbërë është të mbyllë çarjet e një shtrese të vetme. Zakonisht, veshje të tjera futen në sipërfaqen ose shtresën e brendshme të TaC për të formuar një sistem veshjeje të përbërë; sistemi i veshjes për forcimin e tretësirës së ngurtë HfC, ZrC, etj. kanë të njëjtën strukturë kubike me në qendër fytyrën si TaC, dhe dy karbitet mund të jenë pafundësisht të tretshëm në njëri-tjetrin për të formuar një strukturë tretësirë të ngurtë. Veshja Hf(Ta)C është pa çarje dhe ka ngjitje të mirë me materialin e përbërë C/C. Veshja ka performancë të shkëlqyer kundër ablacionit; Veshja gradient e sistemit të veshjes së gradientit i referohet përqendrimit të përbërësit të veshjes përgjatë drejtimit të trashësisë së tij. Struktura mund të zvogëlojë stresin e brendshëm, të përmirësojë mospërputhjen e koeficientëve të zgjerimit termik dhe të shmangë çarjet.
(II) Produktet e pajisjes për veshjen e karabit të tantalit
Sipas statistikave dhe parashikimeve të QYR (Hengzhou Bozhi), shitjet e tregut global të veshjes së karbitit të tantalit në vitin 2021 arritën në 1.5986 milion dollarë amerikanë (pa përfshirë produktet e veshjes së karbitit të tantalit të prodhuar dhe vetë-furnizuar nga Cree), dhe është ende në fillim fazat e zhvillimit të industrisë.
1. Unazat e zgjerimit të kristalit dhe kristalet e nevojshme për rritjen e kristalit: Bazuar në 200 furra të rritjes së kristalit për ndërmarrje, pjesa e tregut e pajisjeve të veshura me TaC që kërkohet nga 30 kompani të rritjes së kristalit është rreth 4.7 miliardë juanë.
2. Tabaka TaC: Çdo tabaka mund të mbajë 3 vafera, çdo tabaka mund të përdoret për 1 muaj dhe 1 tabaka konsumohet për çdo 100 vafera. 3 milionë vafera kërkojnë 30,000 tabaka TaC, çdo tabaka është rreth 20,000 copë dhe rreth 600 milionë nevojiten çdo vit.
3. Skenarë të tjerë të reduktimit të karbonit. Të tilla si rreshtim furre me temperaturë të lartë, hundë CVD, tuba furre, etj, rreth 100 milion.
Koha e postimit: Korrik-02-2024