Hozirgi vaqtda yarimo'tkazgichlarning uchinchi avlodi ustunlik qiladikremniy karbid. Qurilmalarining xarajatlari tarkibida substrat 47% ni, epitaksiya esa 23% ni tashkil qiladi. Ikkalasi birgalikda taxminan 70% ni tashkil qiladi, bu eng muhim qismidirkremniy karbidqurilma ishlab chiqarish sanoati zanjiri.
Tayyorlashning keng tarqalgan usulikremniy karbidmonokristallar PVT (fizik bug 'tashuvchisi) usulidir. Printsip xom ashyoni yuqori haroratli zonada va urug'lik kristalini nisbatan past haroratli zonada qilishdir. Yuqori haroratda xom ashyo parchalanadi va suyuq fazasiz gaz fazali moddalarni bevosita ishlab chiqaradi. Ushbu gaz fazasi moddalari eksenel harorat gradienti ostida urug' kristaliga ko'chiriladi va yadroviy bo'lib, urug' kristalida o'sib, silikon karbid monokristalini hosil qiladi. Hozirgi vaqtda Cree, II-VI, SiCrystal, Dow kabi xorijiy kompaniyalar va Tianyue Advanced, Tianke Heda, Century Golden Core kabi mahalliy kompaniyalar ushbu usuldan foydalanadilar.
Silikon karbidning 200 dan ortiq kristal shakllari mavjud va kerakli yagona kristalli shaklni yaratish uchun juda aniq nazorat talab qilinadi (asosiy oqim 4H kristalli shakl). Tianyue Advanced prospektiga ko'ra, kompaniyaning 2018-2020 va 2021 yilning 1-yarmida kristall novdasi rentabelligi mos ravishda 41%, 38,57%, 50,73% va 49,90%, substrat rentabelligi esa mos ravishda 72,61% va 54,7% ni tashkil etdi . Keng qamrovli rentabellik hozirda atigi 37,7% ni tashkil qiladi. Asosiy PVT usulini misol qilib oladigan bo'lsak, past rentabellik asosan SiC substratini tayyorlashda quyidagi qiyinchiliklarga bog'liq:
1. Harorat maydonini nazorat qilishda qiyinchilik: SiC kristalli novdalar 2500 ℃ yuqori haroratda ishlab chiqarilishi kerak, silikon kristallari esa faqat 1500 ℃ kerak, shuning uchun maxsus monokristalli pechlar talab qilinadi va ishlab chiqarish jarayonida o'sish harorati aniq nazorat qilinishi kerak. , bu nazorat qilish juda qiyin.
2. Sekin ishlab chiqarish tezligi: an'anaviy kremniy materiallarining o'sish tezligi soatiga 300 mm ni tashkil qiladi, ammo silikon karbidning yagona kristallari soatiga atigi 400 mikron o'sishi mumkin, bu deyarli 800 barobar farq qiladi.
3. Yaxshi mahsulot parametrlari uchun yuqori talablar va qora quti hosildorligini o'z vaqtida nazorat qilish qiyin: SiC gofretlarining asosiy parametrlari mikrotube zichligi, dislokatsiya zichligi, qarshilik, burilish, sirt pürüzlülüğü va boshqalarni o'z ichiga oladi. Kristal o'sishi jarayonida u kremniy-uglerod nisbati, o'sish harorati gradienti, kristall o'sish tezligi va havo oqimi bosimi kabi parametrlarni aniq nazorat qilish uchun zarur. Aks holda, polimorfik qo'shimchalar paydo bo'lishi mumkin, natijada sifatsiz kristallar paydo bo'ladi. Grafit tigelning qora qutisida kristall o'sish holatini real vaqtda kuzatish mumkin emas va juda aniq termal maydon nazorati, materiallarni moslashtirish va tajriba to'plash talab etiladi.
4. Kristal kengayishidagi qiyinchilik: Gaz fazasini tashish usulida SiC kristalining o'sishini kengaytirish texnologiyasi juda qiyin. Kristal o'lchami oshgani sayin, uning o'sish qiyinligi eksponent ravishda ortadi.
5. Umuman past rentabellik: Past rentabellik asosan ikkita havoladan iborat: (1) Kristal tayoqning rentabelligi = yarimo'tkazgich darajasidagi kristalli novda chiqishi / (yarimo'tkazgich darajasidagi kristalli novda chiqishi + yarimo'tkazgich bo'lmagan kristalli novda chiqishi) × 100%; (2) Substrat rentabelligi = malakali substrat chiqishi/(malakali substrat chiqishi + malakasiz substrat chiqishi) × 100%.
Yuqori sifatli va yuqori hosil tayyorlashdakremniy karbidli substratlar, ishlab chiqarish haroratini aniq nazorat qilish uchun yadro yaxshi termal maydon materiallariga muhtoj. Hozirgi vaqtda qo'llaniladigan termal maydon to'plamlari asosan yuqori toza grafit strukturaviy qismlar bo'lib, ular uglerod kukuni va silikon kukunini isitish va eritish va issiqlikni saqlash uchun ishlatiladi. Grafit materiallari yuqori o'ziga xos kuch va o'ziga xos modul, yaxshi termal zarba qarshiligi va korroziyaga chidamlilik xususiyatlariga ega, ammo ular yuqori haroratli kislorodli muhitda oson oksidlanish, ammiak ta'siriga chidamli emas va yomon chizish qarshiligi kabi kamchiliklarga ega. Silikon karbidning yagona kristalli o'sishi jarayonida vakremniy karbid epitaksial gofretishlab chiqarish, odamlarning grafit materiallaridan foydalanish bo'yicha tobora kuchayib borayotgan talablarini qondirish qiyin, bu uning rivojlanishi va amaliy qo'llanilishini jiddiy cheklaydi. Shuning uchun tantal karbid kabi yuqori haroratli qoplamalar paydo bo'la boshladi.
2. xususiyatlariTantal karbid qoplamasi
TaC keramikasi 3880 ℃ gacha erish nuqtasiga, yuqori qattiqlikka (Mohs qattiqligi 9-10), katta issiqlik o'tkazuvchanligiga (22W · m-1 · K-1), katta egilish kuchiga (340-400MPa) va kichik issiqlik kengayishiga ega. koeffitsienti (6,6×10−6K−1) va mukammal termokimyoviy barqarorlik va mukammal jismoniy xususiyatlarni namoyish etadi. Grafit va C / C kompozit materiallari bilan yaxshi kimyoviy muvofiqlik va mexanik muvofiqlikka ega. Shu sababli, TaC qoplamasi aerokosmik termal himoya, monokristal o'sishi, energiya elektroniği va tibbiy asbob-uskunalar uchun keng qo'llaniladi.
TaC bilan qoplangangrafit yalang'och grafit yoki SiC bilan qoplangan grafitdan ko'ra yaxshiroq kimyoviy korroziyaga chidamliligiga ega, 2600 ° yuqori haroratlarda barqaror ishlatilishi mumkin va ko'plab metall elementlar bilan reaksiyaga kirishmaydi. Bu uchinchi avlod yarimo'tkazgichli monokristal o'sishi va gofret bilan ishlov berish stsenariylarida eng yaxshi qoplama. Bu jarayonda harorat va aralashmalarni nazorat qilishni sezilarli darajada yaxshilashi va tayyorlashi mumkinyuqori sifatli silikon karbid gofretlariva tegishliepitaksial gofretlar. Bu, ayniqsa, MOCVD uskunasi bilan GaN yoki AlN monokristallarini etishtirish va PVT uskunasi bilan SiC monokristallarini etishtirish uchun javob beradi va yetishtirilgan monokristallarning sifati sezilarli darajada yaxshilanadi.
III. Tantal karbid qoplamali qurilmalarning afzalliklari
Tantal Carbide TaC qoplamasidan foydalanish kristalning chekka nuqsonlari muammosini hal qilishi va kristall o'sishi sifatini yaxshilashi mumkin. Bu "tez o'sish, qalin o'sish va uzun o'sish" ning asosiy texnik yo'nalishlaridan biridir. Sanoat tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, tantal karbid bilan qoplangan grafit krujka ko'proq bir xil isitishga erisha oladi va shu bilan SiC monokristal o'sishi uchun mukammal jarayon nazoratini ta'minlaydi va shu bilan SiC kristallarining chetida polikristal hosil bo'lish ehtimolini sezilarli darajada kamaytiradi. Bundan tashqari, tantal karbid grafit qoplamasi ikkita asosiy afzalliklarga ega:
(I) SiC nuqsonlarini kamaytirish
SiC monokristal nuqsonlarini nazorat qilish nuqtai nazaridan odatda uchta muhim usul mavjud. O'sish parametrlarini va yuqori sifatli manba materiallarini (masalan, SiC manba kukuni) optimallashtirishga qo'shimcha ravishda, Tantal Karbid bilan qoplangan Grafit Crucible yordamida ham yaxshi kristal sifatiga erishish mumkin.
An'anaviy grafit tigelning sxematik diagrammasi (a) va TAC bilan qoplangan tigel (b)
Koreyadagi Sharqiy Evropa universiteti tomonidan olib borilgan tadqiqotlarga ko'ra, SiC kristallarining o'sishidagi asosiy nopoklik azotdir va tantal karbid bilan qoplangan grafit tigellari SiC kristallarining azot birikishini samarali ravishda cheklab qo'yishi mumkin, shu bilan mikroquvurlar kabi nuqsonlarning paydo bo'lishini kamaytiradi va kristallni yaxshilaydi. sifat. Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, bir xil sharoitlarda an'anaviy grafit tigellarda va TAC bilan qoplangan tigellarda o'stirilgan SiC gofretlarining tashuvchisi kontsentratsiyasi mos ravishda taxminan 4,5 × 1017 / sm va 7,6 × 1015 / sm ni tashkil qiladi.
An'anaviy grafit tigellarda (a) va TAC bilan qoplangan tigellarda (b) o'stirilgan SiC monokristallaridagi nuqsonlarni taqqoslash
(II) Grafit tigellarning ishlash muddatini yaxshilash
Hozirgi vaqtda SiC kristallarining narxi yuqoriligicha qolmoqda, ulardan grafit sarf materiallari narxi taxminan 30% ni tashkil qiladi. Grafit sarf materiallari narxini pasaytirishning kaliti uning xizmat muddatini oshirishdir. Britaniya tadqiqot guruhi ma'lumotlariga ko'ra, tantal karbid qoplamalari grafit komponentlarining xizmat muddatini 30-50% ga uzaytirishi mumkin. Ushbu hisob-kitobga ko'ra, faqat tantal karbid bilan qoplangan grafitni almashtirish SiC kristallarining narxini 9% -15% ga kamaytirishi mumkin.
4. Tantal karbid qoplamasini tayyorlash jarayoni
TaC qoplamasini tayyorlash usullarini uchta toifaga bo'lish mumkin: qattiq faza usuli, suyuq faza usuli va gaz fazasi usuli. Qattiq faza usuli asosan kamaytirish usuli va kimyoviy usulni o'z ichiga oladi; suyuq faza usuli eritilgan tuz usuli, sol-gel usuli (Sol-Gel), atala-sinterlash usuli, plazma purkash usulini o'z ichiga oladi; gaz fazasi usuli kimyoviy bug'larning cho'kishi (CVD), kimyoviy bug'ning infiltratsiyasi (CVI) va jismoniy bug'larning cho'kishi (PVD) ni o'z ichiga oladi. Turli xil usullar o'zlarining afzalliklari va kamchiliklariga ega. Ularning orasida CVD TaC qoplamalarini tayyorlash uchun nisbatan etuk va keng qo'llaniladigan usuldir. Jarayonning doimiy takomillashtirilishi bilan issiq simli kimyoviy bug 'cho'kishi va ion nurlari yordamida kimyoviy bug'larni cho'ktirish kabi yangi jarayonlar ishlab chiqildi.
TaC qoplamasi o'zgartirilgan uglerod asosidagi materiallar asosan grafit, uglerod tolasi va uglerod / uglerod kompozit materiallarini o'z ichiga oladi. Grafitga TaC qoplamalarini tayyorlash usullari plazma purkash, CVD, atala sinterlash va boshqalarni o'z ichiga oladi.
CVD usulining afzalliklari: TaC qoplamalarini tayyorlash uchun CVD usuli tantal manbai sifatida tantal halidi (TaX5) va uglerod manbai sifatida uglevodorod (CnHm) ga asoslangan. Muayyan sharoitlarda ular mos ravishda Ta va C ga parchalanadi va keyin TaC qoplamalarini olish uchun bir-biri bilan reaksiyaga kirishadi. CVD usuli pastroq haroratda amalga oshirilishi mumkin, bu ma'lum darajada yuqori haroratda tayyorlash yoki qoplamalarni qayta ishlash natijasida yuzaga keladigan nuqsonlar va mexanik xususiyatlarning pasayishiga olib kelishi mumkin. Qoplamaning tarkibi va tuzilishi nazorat qilinadi va u yuqori tozalik, yuqori zichlik va bir xil qalinlik afzalliklariga ega. Eng muhimi, CVD tomonidan tayyorlangan TaC qoplamalarining tarkibi va tuzilishini loyihalash va osongina boshqarish mumkin. Bu yuqori sifatli TaC qoplamalarini tayyorlash uchun nisbatan etuk va keng qo'llaniladigan usul.
Jarayonga ta'sir qiluvchi asosiy omillar quyidagilardir:
A. Gaz oqimining tezligi (tantal manbai, uglerod manbai sifatida uglevodorod gazi, tashuvchi gaz, suyultiruvchi gaz Ar2, qaytaruvchi gaz H2): Gaz oqimi tezligining o'zgarishi harorat maydoniga, bosim maydoniga va gaz oqimi maydoniga katta ta'sir ko'rsatadi. reaktsiya kamerasi, natijada qoplamaning tarkibi, tuzilishi va ishlashi o'zgaradi. Ar oqimi tezligini oshirish qoplamaning o'sish tezligini sekinlashtiradi va don hajmini kamaytiradi, TaCl5, H2 va C3H6 ning molyar massa nisbati qoplama tarkibiga ta'sir qiladi. H2 ning TaCl5 ga molyar nisbati (15-20): 1, bu ko'proq mos keladi. TaCl5 ning C3H6 ning molyar nisbati nazariy jihatdan 3:1 ga yaqin. Haddan tashqari TaCl5 yoki C3H6 Ta2C yoki erkin uglerod hosil bo'lishiga olib keladi va gofret sifatiga ta'sir qiladi.
B. Cho'kma harorati: cho'kma harorati qanchalik yuqori bo'lsa, cho'kish tezligi tezroq, don hajmi qanchalik katta bo'ladi va qoplama qo'polroq bo'ladi. Bundan tashqari, uglevodorodlarning C ga va TaCl5 ning Ta ga parchalanishining harorati va tezligi har xil bo'lib, Ta va C ning Ta2C hosil bo'lish ehtimoli ko'proq. Harorat TaC qoplamasi o'zgartirilgan uglerod materiallariga katta ta'sir ko'rsatadi. Cho'kma harorati ortishi bilan cho'kish tezligi oshadi, zarrachalar hajmi kattalashadi va zarrachalar shakli sharsimondan ko'p yuzligacha o'zgaradi. Bundan tashqari, cho'kma harorati qanchalik yuqori bo'lsa, TaCl5 ning tezroq parchalanishi, erkin C kamroq bo'ladi, qoplamadagi kuchlanish kuchayadi va yoriqlar osongina hosil bo'ladi. Biroq, past cho'kma harorati qoplamani cho'ktirish samaradorligini pasaytirishga, cho'kish muddatini uzaytirishga va yuqori xom ashyo xarajatlariga olib keladi.
C. Cho'kma bosimi: Cho'kma bosimi material yuzasining erkin energiyasi bilan chambarchas bog'liq va gazning reaksiya kamerasida turish vaqtiga ta'sir qiladi va shu bilan qoplamaning yadrolanish tezligi va zarracha hajmiga ta'sir qiladi. Cho'kma bosimi ortishi bilan gazning yashash vaqti uzoqroq bo'ladi, reaktivlar yadrolanish reaktsiyalarini o'tkazish uchun ko'proq vaqtga ega bo'ladi, reaksiya tezligi oshadi, zarrachalar kattalashadi va qoplama qalinlashadi; aksincha, cho'kma bosimining pasayishi bilan reaksiya gazining yashash vaqti qisqa, reaksiya tezligi sekinlashadi, zarralar kichikroq bo'ladi va qoplama yupqaroq bo'ladi, lekin cho'kma bosimi qoplamaning kristal tuzilishi va tarkibiga juda oz ta'sir qiladi.
V. Tantal karbid qoplamasining rivojlanish tendentsiyasi
TaC ning termal kengayish koeffitsienti (6,6 × 10−6K−1) grafit, uglerod tolasi va C/C kompozit materiallar kabi uglerodga asoslangan materiallardan biroz farq qiladi, bu esa bir fazali TaC qoplamalarini yorilish va yorilishga moyil qiladi. tushish. TaC qoplamalarining ablasyon va oksidlanish qarshiligini, yuqori haroratli mexanik barqarorlikni va yuqori haroratli kimyoviy korroziyaga chidamliligini yanada yaxshilash uchun tadqiqotchilar kompozit qoplama tizimlari, qattiq eritma bilan mustahkamlangan qoplama tizimlari va gradient kabi qoplama tizimlari bo'yicha tadqiqotlar o'tkazdilar. qoplama tizimlari.
Kompozit qoplama tizimi bitta qoplamaning yoriqlarini yopishdir. Odatda, kompozit qoplama tizimini yaratish uchun TaC ning sirtiga yoki ichki qatlamiga boshqa qoplamalar kiritiladi; qattiq eritmani mustahkamlovchi qoplama tizimi HfC, ZrC va boshqalar TaC bilan bir xil yuz markazlashtirilgan kubik tuzilishga ega va ikkita karbid qattiq eritma strukturasini hosil qilish uchun bir-birida cheksiz eruvchan bo'lishi mumkin. Hf(Ta)C qoplamasi yorilishsiz va C/C kompozit materialiga yaxshi yopishadi. Qoplama mukammal piyodalarga chidamli ishlashga ega; gradient qoplama tizimi gradient qoplamasi uning qalinligi yo'nalishi bo'yicha qoplama komponentining kontsentratsiyasini bildiradi. Struktura ichki stressni kamaytirishi, termal kengayish koeffitsientlarining mos kelmasligini yaxshilashi va yoriqlardan qochishi mumkin.
(II) Tantal karbid qoplama qurilmasi mahsulotlari
QYR (Hengzhou Bozhi) statistik ma'lumotlari va prognozlariga ko'ra, 2021 yilda global tantal karbid qoplama bozori sotuvi 1,5986 million AQSh dollariga yetdi (Krening o'zi ishlab chiqaradigan va o'zi ta'minlaydigan tantal karbidli qoplama qurilmasi mahsulotlari bundan mustasno) va u hali ham erta. sanoatning rivojlanish bosqichlari.
1. Kristal o'sishi uchun zarur bo'lgan kristall kengayish halqalari va tigellar: Korxonada 200 ta kristalli o'sish pechlari asosida 30 ta kristall o'sish kompaniyasi tomonidan talab qilinadigan TaC qoplamali qurilmalarning bozor ulushi taxminan 4,7 milliard yuanni tashkil qiladi.
2. TaC tovoqlar: Har bir laganda 3 ta gofretni olib yurishi mumkin, har bir laganda 1 oy davomida ishlatilishi mumkin va har 100 ta gofret uchun 1 ta tovoq iste'mol qilinadi. 3 million gofret uchun 30 000 TaC tovoqlar talab qilinadi, har bir laganda taxminan 20 000 dona va har yili taxminan 600 million kerak bo'ladi.
3. Uglerodni kamaytirishning boshqa stsenariylari. Yuqori haroratli pechning qoplamasi, CVD nozullari, o'choq quvurlari va boshqalar kabi, taxminan 100 mln.
Yuborilgan vaqt: 2024 yil 02 iyul