Яке застосування покриттів SiC і TaC у галузі напівпровідників?

Як широко визначається сектор напівпровідників і які його основні компоненти?

Напівпровідниковий сектор широко стосується використання властивостей напівпровідникових матеріалів для виробництва напівпровідникових інтегральних схем (ІС), напівпровідникових дисплеїв (LCD/OLED-панелей), напівпровідникових освітлювальних приладів (LED) і напівпровідникових енергетичних продуктів (фотовольтаїка) за допомогою відповідних процесів виробництва напівпровідників. На інтегральні схеми припадає до 80% цього сектора, тому, вузько кажучи, напівпровідникова промисловість часто відноситься саме до промисловості ІС.

По суті, виробництво напівпровідників передбачає створення схемних структур на «підкладці» та підключення цієї схеми до зовнішніх систем живлення та керування для досягнення різних функціональних можливостей. Підкладки, термін, який використовується в промисловості, можуть бути виготовлені з напівпровідникових матеріалів, таких як Si або SiC, або ненапівпровідникових матеріалів, таких як сапфір або скло. За винятком індустрії світлодіодів і панелей, кремнієві пластини є найбільш часто використовуваними підкладками. Епітаксія відноситься до процесу вирощування нового тонкоплівкового матеріалу на підкладці, звичайними матеріалами є Si, SiC, GaN, GaAs тощо. Епітаксія забезпечує значну гнучкість для розробників пристроїв, щоб оптимізувати продуктивність пристрою, контролюючи такі фактори, як товщина легування, концентрація та профіль епітаксійного шару незалежно від підкладки. Цей контроль досягається за допомогою легування під час процесу епітаксійного росту.

Що включає в себе початковий процес у виробництві напівпровідників?

Початковий процес є технічно найскладнішою та капіталомісткою частиною виробництва напівпровідників, що вимагає багаторазового повторення одних і тих самих процедур, тому його називають «циклічним процесом». В першу чергу це включає очищення, окислення, фотолітографію, травлення, іонну імплантацію, дифузію, відпал, осадження тонких плівок і полірування.

Як покриття захищають обладнання для виробництва напівпровідників?

Обладнання для виробництва напівпровідників працює у високотемпературному, сильно корозійному середовищі та вимагає надзвичайно високої чистоти. Таким чином, захист внутрішніх компонентів обладнання є надзвичайно важливою проблемою. Технологія нанесення покриття покращує та захищає основні матеріали, утворюючи тонкий покривний шар на їх поверхні. Ця адаптація дозволяє основним матеріалам витримувати більш екстремальні та складні виробничі середовища, покращуючи їхню високотемпературну стабільність, корозійну стійкість, стійкість до окислення та подовжуючи термін служби.

ЧомуSiC покриттяВажливий у сфері виробництва кремнієвих підкладок?

У печах для вирощування кристалів кремнію високотемпературна пара кремнію при температурі близько 1500 °C може суттєво роз’їдати компоненти графіту або вуглецевого матеріалу. Нанесення високої чистотиSiC покриттяна цих компонентах може ефективно блокувати пари кремнію та подовжувати термін служби компонентів.

Процес виробництва напівпровідникових кремнієвих пластин є складним і включає численні етапи, де зростання кристала, формування кремнієвої пластини та епітаксійне зростання є основними етапами. Вирощування кристалів є основним процесом у виробництві кремнієвих пластин. Під час фази підготовки монокристалів визначаються важливі технічні параметри, такі як діаметр пластини, орієнтація кристала, тип провідності легування, діапазон і розподіл питомого опору, концентрація вуглецю та кисню та дефекти решітки. Монокристалічний кремній зазвичай готують за допомогою методу Чохральського (CZ) або методу зони флотації (FZ). Метод CZ є найбільш поширеним, на нього припадає близько 85% монокристалів кремнію. 12-дюймові кремнієві пластини можна виготовляти лише методом CZ. Цей метод полягає в тому, що високочистий полікремнієвий матеріал поміщають у кварцовий тигель, розплавляють його під захистом інертного газу високої чистоти, а потім вставляють у розплав монокристалічний кремнієвий зародок. Коли затравка витягується вгору, кристал росте в монокристалічний кремнієвий стрижень.

Як цеПокриття TaCРозвиток з методами PVT?

Властиві характеристики SiC (відсутність рідкої фази Si:C=1:1 при атмосферному тиску) ускладнюють вирощування монокристалів. В даний час основні методи включають фізичний перенос парів (PVT), високотемпературне хімічне осадження з парів (HT-CVD) і рідкофазову епітаксію (LPE). Серед них PVT є найпоширенішим завдяки меншим вимогам до обладнання, простішому процесу, сильній керованості та усталеним промисловим застосуванням.

Метод PVT дозволяє контролювати аксіальні та радіальні температурні поля шляхом регулювання умов теплоізоляції зовні графітового тигля. Порошок SiC поміщають у більш гаряче дно графітового тигля, тоді як затравковий кристал SiC фіксують у більш холодній верхній частині. Відстань між порошком і затравкою зазвичай контролюється до кількох десятків міліметрів, щоб уникнути контакту між зростаючим кристалом SiC і порошком. Використовуючи різні методи нагрівання (індукційне або резистивне нагрівання), порошок SiC нагрівається до 2200-2500°C, що призводить до сублімації вихідного порошку та розкладання на газоподібні компоненти, такі як Si, Si2C і SiC2. Ці гази транспортуються до кінця затравкового кристала шляхом конвекції, де SiC кристалізується, досягаючи монокристалічного росту. Типова швидкість росту становить 0,2-0,4 мм/год, що вимагає 7-14 днів, щоб виростити кристалічний злиток 20-30 мм.

Наявність вуглецевих включень у кристалах SiC, вирощених PVT, є значним джерелом дефектів, що сприяє утворенню мікротрубок і поліморфних дефектів, які погіршують якість кристалів SiC і обмежують продуктивність пристроїв на основі SiC. Як правило, графітизація порошку SiC і багатий вуглецем фронт росту є визнаними джерелами включень вуглецю: 1) Під час розкладання порошку SiC пари Si накопичуються в газовій фазі, тоді як C концентрується в твердій фазі, що призводить до сильної карбонізації порошку. пізній ріст. Коли частинки вуглецю в порошку долають силу тяжіння та дифундують у злиток SiC, утворюються вуглецеві включення. 2) За умов, багатих Si, надлишок парів Si реагує зі стінкою графітового тигля, утворюючи тонкий шар SiC, який може легко розкладатися на частинки вуглецю та компоненти, що містять Si.

Ці проблеми можна вирішити двома підходами: 1) Відфільтрувати частинки вуглецю з сильно карбонізованого порошку SiC на пізній стадії росту. 2) Запобігайте роз’їданню парами кремнію стінки графітового тигля. Багато карбідів, наприклад TaC, можуть стабільно працювати при температурі вище 2000 °C і протистояти хімічній корозії кислотами, лугами, парами NH3, H2 і Si. Із зростанням вимог до якості пластин SiC промислово досліджується застосування покриттів TaC у технології вирощування кристалів SiC. Дослідження показують, що кристали SiC, виготовлені з використанням графітових компонентів із покриттям TaC у печах для вирощування PVT, є чистішими, зі значно меншою щільністю дефектів, що значно покращує якість кристалів.

а) ПористийTaC або пористий графіт з покриттям TaC: фільтрує частинки вуглецю, запобігає дифузії в кристал і забезпечує рівномірний потік повітря.

б)з покриттям TaCкільця: ізолювати пари кремнію від стінок графітового тигля, запобігаючи корозії стінок тигля парами кремнію.

в)з покриттям TaCнапрямні потоку: ізолюйте пари кремнію від стінки графітового тигля, одночасно направляючи потік повітря до затравкового кристала.

г)з покриттям TaCтримачі затравкових кристалів: ізолюйте пари Si від верхньої кришки тигля, щоб запобігти корозії верхньої кришки парами Si.

Як робитьCVD SiC покриттяВигода у виробництві підкладки GaN?

В даний час промислове виробництво підкладок GaN починається зі створення буферного шару (або шару маски) на сапфіровій підкладці. Потім використовується епітаксія з водневої фази (HVPE) для швидкого вирощування плівки GaN на цьому буферному шарі з подальшим відділенням і поліруванням для отримання окремої підкладки GaN. Як HVPE працює в кварцових реакторах при атмосферному тиску, враховуючи його вимоги до хімічних реакцій при низькій і високій температурах?

У зоні низьких температур (800-900 °C) газоподібний HCl реагує з металевим Ga з утворенням газоподібного GaCl.

У зоні високих температур (1000-1100 °С) газоподібний GaCl реагує з газоподібним NH3 з утворенням монокристалічної плівки GaN.

Які конструктивні елементи обладнання HVPE і як вони захищені від корозії? Обладнання HVPE може бути горизонтальним або вертикальним і складається з таких компонентів, як галієвий човен, корпус печі, реактор, газова конфігураційна система та вихлопна система. Графітові лотки та стрижні, які контактують з NH3, сприйнятливі до корозії та можуть бути захищені за допомогоюSiC покриттящоб запобігти пошкодженню.

Яка важливість технології CVD над виробництвом епітаксії GaN?

Чому в галузі напівпровідникових приладів необхідно створювати епітаксійні шари на певних підкладках пластин? Типовий приклад включає синьо-зелені світлодіоди, для яких потрібні епітаксійні шари GaN на сапфірових підкладках. Обладнання MOCVD є життєво важливим у процесі виробництва епітаксії GaN, провідними постачальниками якого є AMEC, Aixtron і Veeco в Китаї.

Чому підкладки не можна розміщувати безпосередньо на металевих або простих основах під час епітаксійного осадження в системах MOCVD? Слід враховувати такі фактори, як напрямок потоку газу (горизонтальний, вертикальний), температура, тиск, фіксація субстрату та забруднення сміттям. Тому для утримання підкладок використовується чутливий пристрій із кишенями, а епітаксіальне осадження виконується за допомогою технології CVD на підкладках, розміщених у цих кишенях. TheСусцептор являє собою графітову основу з покриттям SiC.

Яка основна хімічна реакція в епітаксії GaN і чому якість покриття SiC є вирішальною? Основною реакцією є NH3 + TMGa → GaN + побічні продукти (приблизно при 1050-1100°C). Однак NH3 термічно розкладається при високих температурах, вивільняючи атомарний водень, який сильно реагує з вуглецем у графіті. Оскільки NH3/H2 не реагує з SiC при 1100°C, повна інкапсуляція та якість покриття SiC є критичними для процесу.

Як наносяться покриття в реакційних камерах основних типів у сфері епітаксії SiC?

SiC є типовим політиповим матеріалом із понад 200 різними кристалічними структурами, серед яких 3C-SiC, 4H-SiC і 6H-SiC є найпоширенішими. 4H-SiC — це кристалічна структура, яка переважно використовується в основних пристроях. Важливим фактором, що впливає на кристалічну структуру, є температура реакції. Температури нижче певного порогу мають тенденцію до утворення інших кристалічних форм. Оптимальна температура реакції знаходиться між 1550 і 1650°C; температури нижче 1550°C, швидше за все, дадуть 3C-SiC та інші структури. Однак 3C-SiC зазвичай використовується вSiC покриття, а температура реакції близько 1600°C є близькою до межі 3C-SiC. Хоча поточне застосування покриттів TaC обмежене проблемами з вартістю, у довгостроковій перспективі,Покриття TaCочікується, що вони поступово замінять покриття SiC в епітаксійному обладнанні SiC.

В даний час існує три основних типи систем CVD для епітаксії SiC: планетарна з гарячою стінкою, горизонтальна з гарячою стінкою та вертикальна з гарячою стінкою. Планетарна система CVD з гарячими стінками характеризується здатністю вирощувати кілька пластин в одній партії, що забезпечує високу ефективність виробництва. Горизонтальна система CVD з гарячими стінками зазвичай включає систему вирощування з однією пластиною великого розміру, що приводиться в дію обертанням газового поплавця, що забезпечує чудові технічні характеристики внутрішньої пластини. Вертикальна гаряча стінна система CVD в основному має високошвидкісне обертання за допомогою зовнішньої механічної основи. Він ефективно зменшує товщину прикордонного шару, підтримуючи нижчий тиск у реакційній камері, таким чином підвищуючи швидкість епітаксіального росту. Крім того, в конструкції камери відсутня верхня стінка, яка могла б призвести до осадження частинок SiC, мінімізуючи ризик відпадання частинок і забезпечуючи невід'ємну перевагу в контролі дефектів.

Для високотемпературної термічної обробки, що таке застосуванняCVD SiCв обладнанні для трубчастих печей?

Обладнання для трубчастих печей широко використовується в таких процесах, як окислення, дифузія, зростання тонких плівок, відпал і легування в напівпровідниковій промисловості. Існує два основних типи: горизонтальний і вертикальний. В даний час промисловість ІС переважно використовує вертикальні трубчасті печі. Залежно від тиску процесу та застосування обладнання для трубчастих печей можна класифікувати на печі атмосферного тиску та печі низького тиску. Печі при атмосферному тиску в основному використовуються для термодифузійного легування, окислення тонких плівок і високотемпературного відпалу, тоді як печі низького тиску призначені для вирощування різних типів тонких плівок (таких як LPCVD і ALD). Конструкції різного обладнання трубчастих печей подібні, і їх можна гнучко налаштувати для виконання функцій дифузії, окислення, відпалу, LPCVD і ALD за потреби. Трубки зі спеченого SiC високої чистоти, пластини з SiC і стінки футеровки з SiC є важливими компонентами всередині реакційної камери обладнання трубчастої печі. Залежно від вимог замовника допSiC покриттяшар може бути нанесений на поверхню спеченої SiC кераміки для підвищення продуктивності.

У сфері фотоелектричного виробництва гранульованого кремнію чомуSiC покриттяВи відіграєте ключову роль?

Полікремній, отриманий із металургійного кремнію (або промислового кремнію), є неметалевим матеріалом, очищеним за допомогою серії фізичних і хімічних реакцій для досягнення вмісту кремнію, що перевищує 99,9999% (6N). У фотоелектричній галузі полікремній переробляється в пластини, комірки та модулі, які в кінцевому підсумку використовуються у фотоелектричних системах виробництва електроенергії, що робить полікремній ключовим компонентом ланцюжка фотоелектричної промисловості. В даний час існує два технологічних шляхи виробництва полікремнію: модифікований процес Сіменса (отримання стрижневого кремнію) і процес силанового киплячого шару (отримання гранульованого кремнію). У модифікованому процесі Сіменса високочистий SiHCl3 відновлюється воднем високої чистоти на кремнієвому ядрі високої чистоти при температурі близько 1150°C, що призводить до осадження полікремнію на кремнієвому ядрі. Процес із псевдозрідженим шаром силану зазвичай використовує SiH4 як вихідний газ кремнію та H2 як газ-носій з додаванням SiCl4 для термічного розкладання SiH4 у реакторі з псевдозрідженим шаром при 600-800°C для отримання гранульованого полікремнію. Модифікований процес Siemens залишається основним шляхом виробництва полікремнію завдяки своїй відносно зрілій технології виробництва. Однак, оскільки такі компанії, як GCL-Poly і Tianhong Reike, продовжують вдосконалювати технологію гранульованого кремнію, процес із псевдозрідженим шаром силану може отримати частку ринку завдяки своїй нижчій вартості та зменшеному викиду вуглецю.

Контроль чистоти продукту історично був слабкою стороною процесу киплячого шару, що є головною причиною того, чому він не перевершив процес Siemens, незважаючи на його значні переваги в ціні. Футеровка служить основною конструкцією та реакційною ємністю процесу киплячого шару силану, захищаючи металеву оболонку реактора від ерозії та зносу високотемпературними газами та матеріалами, водночас ізолюючи та зберігаючи температуру матеріалу. Через суворі умови роботи та прямий контакт із гранульованим кремнієм матеріал підкладки повинен мати високу чистоту, зносостійкість, стійкість до корозії та високу міцність. Звичайні матеріали включають графіт з aSiC покриття. Однак під час фактичного використання трапляються випадки відшарування/розтріскування покриття, що призводить до надмірного вмісту вуглецю в гранульованому кремнії, що призводить до короткого терміну служби графітових накладок і необхідності регулярної заміни, класифікуючи їх як витратні матеріали. Технічні проблеми, пов’язані з облицювальними матеріалами киплячого шару, покритими SiC, і їх висока вартість перешкоджають прийняттю на ринку процесу киплячого шару силану, і їх необхідно вирішити для більш широкого застосування.

У яких сферах застосування використовується піролітичне графітове покриття?

Піролітичний графіт — це новий вуглецевий матеріал, що складається з вуглеводнів високої чистоти, хімічно осаджених з парової фази при тиску в печі від 1800°C до 2000°C, у результаті чого утворюється висококристалографічно орієнтований піролітичний вуглець. Він має високу щільність (2,20 г/см³), високу чистоту та анізотропні термічні, електричні, магнітні та механічні властивості. Він може підтримувати вакуум 10 мм рт. ст. навіть при приблизно 1800 °C, знаходячи широкий потенціал застосування в таких галузях, як аерокосмічна промисловість, напівпровідники, фотоелектричні пристрої та аналітичні прилади.

У разі червоно-жовтої світлодіодної епітаксії та деяких особливих сценаріїв стеля MOCVD не потребує захисту покриття SiC, а натомість використовується рішення для покриття з піролітичним графітом.

Тиглі для електронно-променевого випаровування алюмінію вимагають високої щільності, стійкості до високих температур, хорошої стійкості до термічного удару, високої теплопровідності, низького коефіцієнта теплового розширення та стійкості до корозії кислотами, лугами, солями та органічними реагентами. Оскільки піролітичне графітове покриття має той самий матеріал, що й графітовий тигель, воно може ефективно витримувати циклічні зміни високої та низької температури, подовжуючи термін служби графітового тигля.**