SiC ग्रोथसाठी मुख्य सामग्री: टँटलम कार्बाइड कोटिंग

सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल तयार करण्यासाठी सामान्यतः वापरली जाणारी पद्धत PVT (भौतिक वाष्प वाहतूक) पद्धत आहे, ज्यामध्ये कच्चा माल उच्च-तापमानाच्या क्षेत्रात ठेवणे समाविष्ट आहे, तर सीड क्रिस्टल तुलनेने कमी-तापमानाच्या क्षेत्रात आहे. उच्च तापमानात कच्चा माल विघटित होतो, द्रव अवस्थेतून न जाता थेट वायूयुक्त पदार्थ तयार करतो. हे वायू पदार्थ, अक्षीय तापमान ग्रेडियंटद्वारे चालवले जातात, बीज क्रिस्टलमध्ये नेले जातात, जेथे न्यूक्लिएशन आणि वाढ होते, परिणामी सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल्सचे स्फटिकीकरण होते. सध्या, क्री, II-VI, SiCrystal, Dow सारख्या परदेशी कंपन्या आणि Tianyue Advanced, Tianke Heida आणि Century Jingxin सारख्या देशांतर्गत कंपन्या ही पद्धत वापरतात.

सिलिकॉन कार्बाइडमध्ये 200 पेक्षा जास्त क्रिस्टल प्रकार आहेत आणि इच्छित सिंगल क्रिस्टल प्रकार (प्रामुख्याने 4H क्रिस्टल प्रकार) तयार करण्यासाठी अचूक नियंत्रण आवश्यक आहे. Tianyue Advanced च्या IPO प्रकटीकरणानुसार, 2018 ते H1 2021 पर्यंत क्रिस्टल रॉड उत्पन्न दर 41%, 38.57%, 50.73%, आणि 49.90% होते, तर सब्सट्रेट उत्पन्न दर 72.61% आणि 72.61%, 74%, 74%, 57%, 57%, 49.90% होते. सध्या केवळ 37.7% एकंदर उत्पन्न दर आहे. उदाहरण म्हणून मुख्य प्रवाहातील PVT पद्धतीचा वापर करून, कमी उत्पन्नाचा दर मुख्यतः SiC सब्सट्रेट तयार करताना खालील अडचणींमुळे होतो:

कठीण तापमान फील्ड नियंत्रण: SiC क्रिस्टल रॉड्स 2500°C वर तयार करणे आवश्यक आहे, तर सिलिकॉन क्रिस्टल्सना फक्त 1500°C आवश्यक आहे, विशेष सिंगल क्रिस्टल फर्नेसची आवश्यकता आहे. उत्पादनादरम्यान तापमानाचे अचूक नियंत्रण महत्त्वपूर्ण आव्हाने उभी करतात.

मंद उत्पादन गती: पारंपारिक सिलिकॉन सामग्री 300 मिलीमीटर प्रति तास या वेगाने वाढते, तर सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल्स केवळ 400 मायक्रोमीटर प्रति तास वेगाने वाढू शकतात, जवळजवळ 800 पटीने कमी.

उच्च-गुणवत्तेच्या पॅरामीटर्सची आवश्यकता, ब्लॅक बॉक्स उत्पादन दराच्या रिअल-टाइम नियंत्रणात अडचण: SiC वेफर्सच्या कोर पॅरामीटर्समध्ये मायक्रोट्यूब घनता, विस्थापन घनता, प्रतिरोधकता, वक्रता, पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा इत्यादींचा समावेश होतो. क्रिस्टल वाढीदरम्यान, सिलिकॉनचे अचूक नियंत्रण. ते-कार्बन गुणोत्तर, वाढ तापमान ग्रेडियंट, क्रिस्टल वाढीचा दर, हवेचा प्रवाह दाब इ., पॉलीक्रिस्टलाइन दूषित होण्यापासून टाळण्यासाठी आवश्यक आहे, परिणामी क्रिस्टल्स अयोग्य आहेत. ग्रेफाइट क्रूसिबलच्या ब्लॅक बॉक्समध्ये क्रिस्टल वाढीचे वास्तविक-वेळ निरीक्षण करणे शक्य नाही, अचूक थर्मल फील्ड नियंत्रण, सामग्री जुळणे आणि संचित अनुभव आवश्यक आहे.

क्रिस्टल व्यासाच्या विस्तारामध्ये अडचण: गॅस-फेज ट्रान्सपोर्ट पद्धती अंतर्गत, SiC क्रिस्टल वाढीसाठी विस्तार तंत्रज्ञान महत्त्वपूर्ण आव्हाने उभी करते, ज्यामध्ये क्रिस्टल आकार वाढल्याने वाढीची अडचण भौमितिकदृष्ट्या वाढते.

सामान्यतः कमी उत्पन्न दर: कमी उत्पन्न दरामध्ये दोन दुवे असतात - (1) क्रिस्टल रॉड उत्पन्न दर = सेमीकंडक्टर-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट / (सेमीकंडक्टर-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट + नॉन-सेमिकंडक्टर-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट) × 100%; (2) सब्सट्रेट उत्पन्न दर = पात्र सब्सट्रेट आउटपुट / (पात्र सब्सट्रेट आउटपुट + अयोग्य सब्सट्रेट आउटपुट) × 100%.

उच्च-गुणवत्तेचे, उच्च-उत्पन्न सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स तयार करण्यासाठी, अचूक तापमान नियंत्रणासाठी चांगली उष्णता क्षेत्र सामग्री आवश्यक आहे. सध्याच्या थर्मल फील्ड क्रूसिबल किटमध्ये मुख्यत्वे उच्च-शुद्ध ग्रेफाइट स्ट्रक्चरल घटक असतात, जे गरम करण्यासाठी, कार्बन पावडर आणि सिलिकॉन पावडर वितळण्यासाठी आणि इन्सुलेशनसाठी वापरले जातात. ग्रेफाइट मटेरियलमध्ये उच्च विशिष्ट ताकद आणि विशिष्ट मापांक, थर्मल शॉक आणि गंज यांना चांगला प्रतिकार असतो, इ. तथापि, उच्च-तापमानाच्या ऑक्सिजन वातावरणात ऑक्सिडेशन, अमोनिया आणि स्क्रॅचिंगला खराब प्रतिकार यासारख्या कमतरता आहेत, ज्यामुळे ते वाढत्या कडकपणाला सामोरे जाऊ शकत नाहीत. सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ आणि एपिटॅक्सियल वेफर उत्पादनातील ग्रेफाइट सामग्रीसाठी आवश्यकता. म्हणून, उच्च-तापमान कोटिंग्स आवडतातटँटलम कार्बाइडलोकप्रियता मिळवत आहेत.

1. ची वैशिष्ट्येटँटलम कार्बाइड कोटिंग 

टँटलम कार्बाइड (TaC) सिरॅमिकमध्ये उच्च कडकपणा (Mohs कठोरता 9-10), लक्षणीय थर्मल चालकता (22W·m-1·K−1), उच्च लवचिक सामर्थ्य (340-400MPa) सह 3880°C चा उच्च वितळ बिंदू आहे ), आणि कमी थर्मल विस्तार गुणांक (6.6×10−6K−1). हे उत्कृष्ट थर्मल आणि रासायनिक स्थिरता आणि उत्कृष्ट भौतिक गुणधर्म प्रदर्शित करते, ग्रेफाइटसह चांगल्या रासायनिक आणि यांत्रिक सुसंगततेसह,C/C संमिश्र साहित्य, इ. म्हणून, TaC कोटिंग्स एरोस्पेस थर्मल संरक्षण, सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ, एनर्जी इलेक्ट्रॉनिक्स, वैद्यकीय उपकरणे आणि इतर क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.

ग्रेफाइटवर TaC कोटिंगबेअर ग्रेफाइट किंवा पेक्षा चांगले रासायनिक गंज प्रतिकार आहेSiC-लेपित ग्रेफाइट, आणि 2600°C पर्यंत उच्च तापमानात अनेक धातू घटकांवर प्रतिक्रिया न करता स्थिरपणे वापरले जाऊ शकते. हे थर्ड-जनरेशन सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल ग्रोथ आणि वेफर एचिंगसाठी सर्वोत्तम कोटिंग मानले जाते, प्रक्रियेत तापमान आणि अशुद्धता नियंत्रणात लक्षणीय सुधारणा होते, ज्यामुळे उच्च-गुणवत्तेच्या सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्सचे उत्पादन होते आणि संबंधितएपिटॅक्सियल वेफर्स. हे विशेषतः GaN किंवा MOCVD उपकरणांच्या वाढीसाठी योग्य आहेAlN सिंगल क्रिस्टल्सआणि PVT उपकरणे SiC सिंगल क्रिस्टल्सची वाढ, परिणामी क्रिस्टल गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या सुधारली.

2. चे फायदेटँटलम कार्बाइड कोटिंग 

उपकरणांचा वापरटँटलम कार्बाइड (TaC) कोटिंग्जक्रिस्टल एज डिफेक्ट समस्या सोडवू शकते, क्रिस्टल ग्रोथ क्वालिटी सुधारू शकते आणि "वेगवान वाढ, जाड वाढ, मोठी वाढ" साठी मुख्य तंत्रज्ञानांपैकी एक आहे. उद्योग संशोधनात असेही दिसून आले आहे की TaC-कोटेड ग्रेफाइट क्रूसिबल्स अधिक एकसमान गरम करू शकतात, SiC सिंगल क्रिस्टल वाढीसाठी उत्कृष्ट प्रक्रिया नियंत्रण प्रदान करतात, ज्यामुळे SiC क्रिस्टल किनारी पॉलीक्रिस्टल तयार होण्याची संभाव्यता लक्षणीयरीत्या कमी होते. याव्यतिरिक्त,TaC-लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबलदोन प्रमुख फायदे ऑफर करा:

(1) SiC दोष कमी करणे SiC सिंगल क्रिस्टल दोषांच्या नियंत्रणामध्ये, सामान्यत: तीन महत्त्वाचे मार्ग आहेत, म्हणजे, वाढीचे मापदंड ऑप्टिमाइझ करणे आणि उच्च-गुणवत्तेची स्रोत सामग्री वापरणे (जसे कीSiC स्त्रोत पावडर), आणि ग्रेफाइट क्रूसिबल बदलणेTaC-लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबलचांगली क्रिस्टल गुणवत्ता प्राप्त करण्यासाठी.

पारंपारिक ग्रेफाइट क्रूसिबल (a) आणि TaC-कोटेड क्रूसिबल (b) चे योजनाबद्ध आकृती 

कोरियातील ईस्टर्न युरोपियन युनिव्हर्सिटीच्या संशोधनानुसार, SiC क्रिस्टल ग्रोथमधील प्राथमिक अशुद्धता नायट्रोजन आहे.TaC-लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबलSiC क्रिस्टल्समध्ये नायट्रोजनचा समावेश प्रभावीपणे मर्यादित करू शकतो, ज्यामुळे मायक्रोट्यूबसारख्या दोषांची निर्मिती कमी होते, क्रिस्टल गुणवत्ता सुधारते. अभ्यासाने दर्शविले आहे की समान परिस्थितीत, वाहक एकाग्रता मध्येSiC वेफर्सपारंपारिक ग्रेफाइट क्रुसिबलमध्ये वाढतात आणिTaC-लेपित क्रूसिबल्सअनुक्रमे अंदाजे 4.5×1017/cm आणि 7.6×1015/cm आहे.

पारंपारिक ग्रेफाइट क्रूसिबल (a) आणि TaC-कोटेड क्रूसिबल (b) मधील SiC सिंगल क्रिस्टल ग्रोथमधील दोषांची तुलना

(२) ग्रेफाइट क्रूसिबलचे आयुष्य वाढवणे सध्या, SiC क्रिस्टल्सची किंमत जास्त आहे, ग्रेफाइटच्या उपभोग्य वस्तूंचा खर्च सुमारे 30% आहे. ग्रेफाइट उपभोग्य वस्तूंच्या किंमती कमी करण्याची गुरुकिल्ली त्यांचे सेवा आयुष्य वाढवण्यात आहे. ब्रिटीश रिसर्च टीमच्या माहितीनुसार, टँटलम कार्बाइड कोटिंग्ज ग्रेफाइट घटकांचे सेवा आयुष्य 30-50% वाढवू शकतात. TaC-कोटेड ग्रेफाइटचा वापर करून, SiC क्रिस्टल्सची किंमत बदलून 9%-15% कमी केली जाऊ शकते.TaC-लेपित ग्रेफाइटएकटा

3. टँटलम कार्बाइड कोटिंग प्रक्रिया 

ची तयारीTaC कोटिंग्जतीन श्रेणींमध्ये वर्गीकृत केले जाऊ शकते: सॉलिड-फेज पद्धत, लिक्विड-फेज पद्धत आणि गॅस-फेज पद्धत. सॉलिड-फेज पद्धतीमध्ये प्रामुख्याने कपात पद्धत आणि कंपाऊंड पद्धत समाविष्ट आहे; लिक्विड-फेज पद्धतीमध्ये वितळलेले मीठ पद्धत, सोल-जेल पद्धत, स्लरी-सिंटरिंग पद्धत, प्लाझ्मा फवारणी पद्धत समाविष्ट आहे; गॅस-फेज पद्धतीमध्ये रासायनिक वाष्प जमा करणे (CVD), रासायनिक वाष्प घुसखोरी (CVI), आणि भौतिक वाष्प जमा करणे (PVD) पद्धती इत्यादींचा समावेश आहे. प्रत्येक पद्धतीचे फायदे आणि तोटे आहेत, CVD ही सर्वात परिपक्व आणि मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाणारी पद्धत आहे. TaC कोटिंग्ज तयार करणे. सतत प्रक्रिया सुधारणांसह, नवीन तंत्रे जसे की गरम वायर रासायनिक वाष्प जमा करणे आणि आयन बीम-सहाय्यित रासायनिक वाफ जमा करणे विकसित केले गेले आहे.

TaC कोटिंग-सुधारित कार्बन-आधारित सामग्रीमध्ये प्रामुख्याने ग्रेफाइट, कार्बन तंतू आणि कार्बन/कार्बन संमिश्र सामग्रीचा समावेश होतो. तयार करण्याच्या पद्धतीग्रेफाइटवर TaC कोटिंग्जप्लाझ्मा फवारणी, सीव्हीडी, स्लरी-सिंटरिंग इ.

सीव्हीडी पद्धतीचे फायदे: तयारीTaC कोटिंग्जCVD द्वारे आधारित आहेटँटलम हॅलाइड्स (TaX5) टँटलम स्त्रोत म्हणून आणि हायड्रोकार्बन्स (CnHm) कार्बन स्त्रोत म्हणून. विशिष्ट परिस्थितीत, हे पदार्थ Ta आणि C मध्ये विघटित होतात, जे तयार होतातTaC कोटिंग्ज. CVD कमी तापमानात केले जाऊ शकते, ज्यामुळे उच्च-तापमान कोटिंग तयार करताना किंवा उपचार करताना उद्भवू शकणारे दोष आणि कमी यांत्रिक गुणधर्म टाळता येतात. कोटिंग्जची रचना आणि रचना CVD द्वारे नियंत्रित केली जाऊ शकते, उच्च शुद्धता, उच्च घनता आणि एकसमान जाडी प्रदान करते. महत्त्वाचे म्हणजे, CVD उच्च-गुणवत्तेचे TaC कोटिंग तयार करण्यासाठी एक परिपक्व आणि व्यापकपणे स्वीकारलेली पद्धत प्रदान करते.सहज नियंत्रण करण्यायोग्य रचना आणि रचना.

प्रक्रियेतील प्रमुख घटकांमध्ये हे समाविष्ट आहे:

(1) वायू प्रवाह दर (टँटलम स्त्रोत, कार्बन स्त्रोत म्हणून हायड्रोकार्बन वायू, वाहक वायू, सौम्य वायू Ar2, वायू H2 कमी करणे):गॅस प्रवाह दरातील बदल प्रतिक्रिया कक्षातील तापमान, दाब आणि वायू प्रवाह क्षेत्रावर लक्षणीय परिणाम करतात, ज्यामुळे कोटिंग रचना, रचना आणि गुणधर्मांमध्ये बदल होतात. Ar प्रवाह वाढल्याने कोटिंगच्या वाढीचा वेग कमी होईल आणि धान्याचा आकार कमी होईल, तर TaCl5, H2 आणि C3H6 चे मोलर मास रेशो लेपच्या रचनेवर प्रभाव टाकेल. H2 ते TaCl5 चे मोलर रेशो (15-20):1 वर सर्वात योग्य आहे आणि TaCl5 ते C3H6 चे मोलर रेशो आदर्शपणे 3:1 च्या जवळ आहे. जास्त TaCl5 किंवा C3H6 मुळे Ta2C किंवा फ्री कार्बन तयार होऊ शकतो, ज्यामुळे वेफरच्या गुणवत्तेवर परिणाम होतो.

(२) जमा तापमान:उच्च निचरा तापमानामुळे जलद जमा होण्याचे प्रमाण, मोठे धान्य आकार आणि खडबडीत कोटिंग्स होतात. याव्यतिरिक्त, हायड्रोकार्बन्सचे C आणि TaCl5 मध्ये Ta मधील विघटन तापमान आणि दर भिन्न आहेत, ज्यामुळे Ta2C ची निर्मिती सुलभ होते. तापमानाचा TaC कोटिंग-सुधारित कार्बन सामग्रीवर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो, उच्च तापमानामुळे साचण्याचे दर, धान्याचे आकार, गोलाकार ते पॉलीहेड्रल आकारात बदलतात. शिवाय, उच्च तापमान TaCl5 विघटनाला गती देते, मुक्त कार्बन कमी करते, कोटिंग्जमध्ये अंतर्गत ताण वाढवते आणि क्रॅक होऊ शकते. तथापि, कमी साचण्याचे तापमान लेप जमा करण्याची कार्यक्षमता कमी करू शकते, जमा करण्याची वेळ वाढवू शकते आणि कच्च्या मालाची किंमत वाढवू शकते.

(३) जमा दबाव:डिपॉझिशन प्रेशरचा पृष्ठभागावरील सामग्रीच्या मुक्त ऊर्जेशी जवळचा संबंध असतो आणि प्रतिक्रिया कक्षातील वायूंच्या निवासाच्या वेळेवर परिणाम होतो, ज्यामुळे न्यूक्लिएशन रेट आणि कोटिंग्जच्या धान्य आकारावर परिणाम होतो. जसजसे डिपॉझिशन प्रेशर वाढते तसतसे वायूच्या निवासाचा कालावधी वाढतो, ज्यामुळे अणुभट्ट्यांना न्यूक्लिएशन प्रतिक्रियांसाठी अधिक वेळ मिळतो, प्रतिक्रिया दर वाढतो, दाणे मोठे होतात आणि कोटिंग्ज घट्ट होतात. याउलट, डिपॉझिशन प्रेशर कमी केल्याने गॅस राहण्याचा वेळ कमी होतो, प्रतिक्रिया दर मंदावतो, धान्याचा आकार कमी होतो, कोटिंग्ज पातळ होतात, परंतु डिपॉझिशन प्रेशरचा क्रिस्टल स्ट्रक्चर आणि कोटिंग्जच्या रचनेवर कमीतकमी प्रभाव पडतो.

4. टँटलम कार्बाइड कोटिंगच्या विकासातील ट्रेंड 

TaC (6.6×10−6K−1) चे थर्मल विस्तार गुणांक ग्रेफाइट, कार्बन फायबर, C/C संमिश्र सामग्रीसारख्या कार्बन-आधारित सामग्रीपेक्षा थोडेसे वेगळे आहे, ज्यामुळे सिंगल-फेज TaC कोटिंग्स सहजपणे क्रॅक होतात किंवा डीलॅमनेट होतात. ऑक्सिडेशन प्रतिरोध, उच्च-तापमान यांत्रिक स्थिरता आणि TaC कोटिंग्जचे रासायनिक गंज प्रतिकार सुधारण्यासाठी, संशोधकांनी यावर अभ्यास केला आहे.संमिश्र कोटिंग्ज, सॉलिड सोल्युशन मजबूत करणारे कोटिंग्स, ग्रेडियंट कोटिंग्स, इ.

संमिश्र कोटिंग्स पृष्ठभागावर किंवा TaC च्या आतील थरांमध्ये अतिरिक्त कोटिंग्जचा परिचय करून, संमिश्र कोटिंग सिस्टम तयार करून सिंगल कोटिंग्जमध्ये क्रॅक सील करतात. HfC, ZrC, इत्यादी सारख्या सॉलिड सोल्युशन बळकट करणाऱ्या सिस्टीममध्ये TaC सारखीच फेस-केंद्रित क्यूबिक रचना असते, ज्यामुळे दोन कार्बाइड्समधील असीम म्युच्युअल विद्राव्यता एक घन सोल्यूशन रचना तयार करण्यास सक्षम करते. Hf(Ta)C कोटिंग्ज क्रॅक-फ्री असतात आणि C/C संमिश्र सामग्रीसह चांगले चिकटते. हे कोटिंग उत्कृष्ट बर्न प्रतिकार देतात. ग्रेडियंट कोटिंग्स त्यांच्या जाडीसह कोटिंग घटकांच्या सतत ग्रेडियंट वितरणासह कोटिंग्सचा संदर्भ घेतात. ही रचना अंतर्गत ताण कमी करू शकते, थर्मल विस्तार गुणांक जुळणी समस्या सुधारू शकते आणि क्रॅक तयार होण्यास प्रतिबंध करू शकते.

5. टँटलम कार्बाइड कोटिंग डिव्हाइस उत्पादने

QYR (Hengzhou Bozhi) आकडेवारी आणि अंदाजानुसार, जागतिक विक्रीटँटलम कार्बाइड कोटिंग्ज2021 मध्ये 1.5986 दशलक्ष USD पर्यंत पोहोचले (क्रीचे स्वयं-उत्पादित टँटलम कार्बाइड कोटिंग उपकरण उत्पादने वगळून), उद्योग अजूनही विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात असल्याचे सूचित करते.

(१) स्फटिकाच्या वाढीसाठी आवश्यक विस्तार रिंग आणि क्रुसिबल:प्रति एंटरप्राइझ 200 क्रिस्टल ग्रोथ फर्नेसच्या आधारे गणना केली जाते, चा बाजार हिस्साTaC कोटिंग30 क्रिस्टल ग्रोथ कंपन्यांना आवश्यक असलेले उपकरण अंदाजे 4.7 अब्ज RMB आहे.

(2) TaC ट्रे:प्रत्येक ट्रेमध्ये 3 वेफर्स असू शकतात, ज्याचे आयुष्य प्रति ट्रे 1 महिना आहे. प्रत्येक 100 वेफर्स एक ट्रे वापरतात. 3 दशलक्ष वेफर्ससाठी 30,000 लागतातTaC ट्रे, प्रत्येक ट्रेमध्ये सुमारे 20,000 तुकडे असतात, एकूण वार्षिक अंदाजे 6 अब्ज.

(3) इतर decarbonization परिस्थिती.उच्च-तापमान फर्नेस अस्तर, CVD नोझल्स, फर्नेस पाईप्स इत्यादींसाठी अंदाजे 1 अब्ज.**