Jaké jsou aplikace povlaků SiC a TaC v oblasti polovodičů?

Jak je polovodičový sektor široce definován a jaké jsou jeho hlavní součásti?

Sektor polovodičů se obecně týká využití vlastností polovodičových materiálů k výrobě polovodičových integrovaných obvodů (IC), polovodičových displejů (LCD/OLED panely), polovodičového osvětlení (LED) a polovodičových energetických produktů (fotovoltaika) prostřednictvím souvisejících procesů výroby polovodičů. Integrované obvody tvoří až 80 % tohoto sektoru, takže, úzce řečeno, průmysl polovodičů často odkazuje konkrétně na průmysl IC.

Výroba polovodičů v podstatě zahrnuje vytváření obvodových struktur na „podložce“ a připojení tohoto obvodu k externím napájecím a řídicím systémům pro dosažení různých funkcí. Substráty, termín používaný v průmyslu, mohou být vyrobeny z polovodičových materiálů, jako je Si nebo SiC, nebo z nepolovodičových materiálů, jako je safír nebo sklo. S výjimkou průmyslu LED a panelů jsou nejběžněji používanými substráty křemíkové destičky. Epitaxe označuje proces růstu nového tenkovrstvého materiálu na substrátu, přičemž běžné materiály jsou Si, SiC, GaN, GaAs atd. Epitaxe poskytuje konstruktérům zařízení značnou flexibilitu při optimalizaci výkonu zařízení řízením faktorů, jako je tloušťka dopingu, koncentrace a profil epitaxní vrstvy nezávisle na substrátu. Této kontroly je dosaženo dopingem během procesu epitaxního růstu.

Co zahrnuje front-end proces ve výrobě polovodičů?

Front-end proces je technicky nejsložitější a kapitálově nejnáročnější část výroby polovodičů, která vyžaduje opakování stejných postupů několikrát, proto se nazývá „cyklický proces“. Zahrnuje především čištění, oxidaci, fotolitografii, leptání, iontovou implantaci, difúzi, žíhání, nanášení tenkých vrstev a leštění.

Jak nátěry chrání zařízení pro výrobu polovodičů?

Zařízení pro výrobu polovodičů pracuje ve vysokoteplotním, vysoce korozivním prostředí a vyžaduje extrémně vysokou čistotu. Ochrana vnitřních součástí zařízení je tedy zásadní výzvou. Technologie povlakování zušlechťuje a chrání základní materiály vytvořením tenké krycí vrstvy na jejich povrchu. Toto přizpůsobení umožňuje základním materiálům odolat extrémnějším a složitějším výrobním prostředím, zlepšuje se jejich vysokoteplotní stabilita, odolnost proti korozi, odolnost proti oxidaci a prodlužuje se jejich životnost.

Proč jeSiC povlakVýznamní v doméně výroby křemíkového substrátu?

V pecích pro růst křemíkových krystalů mohou vysokoteplotní křemíkové páry kolem 1500 °C významně korodovat grafitové nebo uhlík-uhlíkové materiály. Použití vysoce čistéhoSiC povlakna těchto součástech mohou účinně blokovat křemíkové páry a prodloužit životnost součástí.

Výrobní proces polovodičových křemíkových plátků je složitý a zahrnuje řadu kroků, přičemž primárními fázemi jsou růst krystalů, tvorba křemíkových plátků a epitaxní růst. Růst krystalů je základním procesem při výrobě křemíkových plátků. Během fáze přípravy monokrystalu se určují klíčové technické parametry, jako je průměr plátku, orientace krystalu, typ dopingové vodivosti, rozsah a distribuce měrného odporu, koncentrace uhlíku a kyslíku a defekty mřížky. Monokrystalický křemík se typicky připravuje buď metodou Czochralského (CZ) nebo metodou Float Zone (FZ). Nejčastěji se používá metoda CZ, která tvoří asi 85 % monokrystalů křemíku. 12palcové křemíkové destičky lze vyrábět pouze metodou CZ. Tato metoda zahrnuje umístění vysoce čistého polysilikonového materiálu do křemenného kelímku, jeho roztavení pod ochranou vysoce čistého inertního plynu a následné vložení jednokrystalového křemíkového jádra do taveniny. Jak se semeno vytahuje nahoru, krystal roste do monokrystalické křemíkové tyčinky.

Jak jeTaC povlakVyvíjíte se pomocí metod PVT?

Inherentní vlastnosti SiC (nedostatek kapalné fáze Si:C=1:1 při atmosférickém tlaku) činí růst monokrystalů náročným. V současné době mezi hlavní metody patří fyzikální transport par (PVT), vysokoteplotní chemická depozice z par (HT-CVD) a epitaxe v kapalné fázi (LPE). Mezi nimi je PVT nejrozšířenější díky svým nižším požadavkům na vybavení, jednoduššímu procesu, silné ovladatelnosti a zavedeným průmyslovým aplikacím.

Metoda PVT umožňuje řízení axiálních a radiálních teplotních polí úpravou tepelně izolačních podmínek mimo grafitový kelímek. Prášek SiC je umístěn na teplejší dno grafitového kelímku, zatímco očkovací krystal SiC je fixován na chladnějším vršku. Vzdálenost mezi práškem a semenem je typicky řízena na několik desítek milimetrů, aby se zabránilo kontaktu mezi rostoucím krystalem SiC a práškem. Pomocí různých způsobů ohřevu (indukční nebo odporový ohřev) se prášek SiC zahřeje na 2200-2500 °C, což způsobí, že původní prášek sublimuje a rozloží se na plynné složky, jako je Si, Si2C a SiC2. Tyto plyny jsou transportovány na konec zárodečných krystalů konvekcí, kde SiC krystalizuje a dosahuje růstu monokrystalů. Typická rychlost růstu je 0,2-0,4 mm/h, což vyžaduje 7-14 dní k růstu 20-30 mm krystalového ingotu.

Přítomnost uhlíkových inkluzí v krystalech SiC vypěstovaných na PVT je významným zdrojem defektů, které přispívají k mikrotrubičkám a polymorfním defektům, které zhoršují kvalitu krystalů SiC a omezují výkon zařízení na bázi SiC. Obecně platí, že grafitizace prášku SiC a růstová fronta bohatá na uhlík jsou uznávanými zdroji uhlíkových inkluzí: 1) Během rozkladu prášku SiC se pára Si hromadí v plynné fázi, zatímco C se koncentruje v pevné fázi, což vede k silné karbonizaci prášku. pozdní růst. Jakmile uhlíkové částice v prášku překonávají gravitaci a difundují do SiC ingotu, tvoří se uhlíkové inkluze. 2) V podmínkách bohatých na Si přebytečná Si pára reaguje se stěnou grafitového kelímku a vytváří tenkou vrstvu SiC, která se může snadno rozložit na uhlíkové částice a složky obsahující Si.

Tyto problémy mohou řešit dva přístupy: 1) Filtrujte uhlíkové částice ze silně karbonizovaného prášku SiC v pozdní fázi růstu. 2) Zabraňte korozi Si páry na stěně grafitového kelímku. Mnoho karbidů, jako je TaC, může pracovat stabilně nad 2000 °C a odolávat chemické korozi působením kyselin, zásad, NH3, H2 a Si. S rostoucími požadavky na kvalitu SiC waferů se průmyslově zkoumá aplikace povlaků TaC v technologii růstu krystalů SiC. Studie ukazují, že krystaly SiC připravené s použitím grafitových komponent potažených TaC v růstových pecích PVT jsou čistší, s výrazně sníženou hustotou defektů, což podstatně zvyšuje kvalitu krystalů.

a) PorézníTaC nebo porézní grafit potažený TaC: Filtruje uhlíkové částice, zabraňuje difúzi do krystalu a zajišťuje rovnoměrné proudění vzduchu.

b)Potaženo TaCkroužky: Izolujte páru Si ze stěny grafitového kelímku, zabraňte korozi stěny kelímku párou Si.

C)Potaženo TaCvodiče proudění: Izolujte páru Si ze stěny grafitového kelímku a nasměrujte proud vzduchu směrem k zárodečnému krystalu.

d)Potaženo TaCDržáky zárodečných krystalů: Izolujte Si páry z horního krytu kelímku, aby se zabránilo korozi horního krytu párami Si.

Jak to děláCVD SiC povlakPřínos ve výrobě substrátu GaN?

V současné době komerční výroba GaN substrátů začíná vytvořením nárazníkové vrstvy (nebo maskovací vrstvy) na safírovém substrátu. Hydrogen Vapor Phase Epitaxy (HVPE) se pak používá k rychlému růstu GaN filmu na této vrstvě pufru, následuje separace a leštění, aby se získal volně stojící GaN substrát. Jak HVPE funguje v křemenných reaktorech s atmosférickým tlakem, vzhledem k jeho požadavku na nízkoteplotní i vysokoteplotní chemické reakce?

V nízkoteplotní zóně (800-900°C) reaguje plynný HCl s kovovým Ga za vzniku plynného GaCl.

Ve vysokoteplotní zóně (1000-1100°C) reaguje plynný GaCl s plynným NH3 za vzniku monokrystalického filmu GaN.

Jaké jsou konstrukční součásti zařízení HVPE a jak jsou chráněny před korozí? Zařízení HVPE může být horizontální nebo vertikální, skládající se z komponent, jako je galliový člun, těleso pece, reaktor, systém konfigurace plynu a výfukový systém. Grafitové misky a tyče, které přicházejí do styku s NH3, jsou náchylné ke korozi a lze je chránitSiC povlakaby nedošlo k poškození.

Jaký je význam technologie CVD oproti výrobě epitaxe GaN?

Proč je v oblasti polovodičových součástek nutné konstruovat epitaxní vrstvy na určitých waferových substrátech? Typickým příkladem jsou modrozelené LED diody, které vyžadují GaN epitaxní vrstvy na safírových substrátech. Zařízení MOCVD je životně důležité v procesu výroby epitaxe GaN, přičemž předními dodavateli jsou AMEC, Aixtron a Veeco v Číně.

Proč nemohou být substráty umístěny přímo na kovové nebo jednoduché základny během epitaxní depozice v systémech MOCVD? Je třeba vzít v úvahu faktory, jako je směr proudění plynu (horizontální, vertikální), teplota, tlak, fixace substrátu a kontaminace úlomky. Proto se k uchycení substrátů používá susceptor s kapsami a na substráty umístěné v těchto kapsách se provádí epitaxní depozice pomocí technologie CVD. Thesusceptor je na grafitové bázi s povlakem SiC.

Jaká je základní chemická reakce v epitaxi GaN a proč je kvalita povlaku SiC klíčová? Jádro reakce je NH3 + TMGa → GaN + vedlejší produkty (při přibližně 1050-1100 °C). NH3 se však při vysokých teplotách tepelně rozkládá a uvolňuje atomární vodík, který silně reaguje s uhlíkem v grafitu. Vzhledem k tomu, že NH3/H2 nereaguje s SiC při 1100 °C, je úplné zapouzdření a kvalita SiC povlaku pro proces rozhodující.

Jak se v oblasti výroby SiC epitaxe aplikují povlaky v běžných typech reakčních komor?

SiC je typický polytypický materiál s více než 200 různými krystalovými strukturami, z nichž nejběžnější jsou 3C-SiC, 4H-SiC a 6H-SiC. 4H-SiC je krystalová struktura používaná převážně v běžných zařízeních. Významným faktorem ovlivňujícím krystalovou strukturu je reakční teplota. Teploty pod určitou prahovou hodnotou mají tendenci vytvářet jiné krystalické formy. Optimální reakční teplota je mezi 1550 a 1650 °C; teploty pod 1550 °C s větší pravděpodobností poskytují 3C-SiC a další struktury. Běžně se však používá 3C-SiCSiC povlakya reakční teplota kolem 1600 °C se blíží hranici 3C-SiC. Přestože je současná aplikace povlaků TaC omezena náklady, z dlouhodobého hlediskaTaC povlakyočekává se, že postupně nahradí povlaky SiC v epitaxních zařízeních SiC.

V současné době existují tři hlavní typy CVD systémů pro SiC epitaxi: planetární hot-wall, horizontální hot-wall a vertikální hot-wall. Planetární systém CVD s horkou stěnou je charakteristický svou schopností pěstovat více plátků v jedné dávce, což má za následek vysokou efektivitu výroby. Horizontální systém CVD s horkou stěnou typicky zahrnuje jednoplatný, velkorozměrový růstový systém poháněný rotací plynového plováku, což umožňuje vynikající specifikace uvnitř plátku. Vertikální horkostěnný CVD systém se vyznačuje především vysokorychlostní rotací podporovanou externí mechanickou základnou. Účinně snižuje tloušťku hraniční vrstvy tím, že udržuje nižší tlak v reakční komoře, čímž zvyšuje rychlost epitaxního růstu. Konstrukce komory navíc postrádá horní stěnu, která by mohla vést k ukládání částic SiC, čímž se minimalizuje riziko odpadávání částic a poskytuje inherentní výhodu při kontrole defektů.

Jaké jsou aplikace pro vysokoteplotní tepelné zpracováníCVD SiCv zařízení trubkových pecí?

Zařízení trubkové pece je široce používáno v procesech, jako je oxidace, difúze, růst tenkých vrstev, žíhání a legování v polovodičovém průmyslu. Existují dva hlavní typy: horizontální a vertikální. V současné době průmysl IC primárně využívá vertikální trubkové pece. V závislosti na procesním tlaku a aplikaci lze zařízení trubkové pece rozdělit na pece s atmosférickým tlakem a pece nízkotlaké. Atmosférické pece se používají hlavně pro tepelné difúzní dopování, oxidaci tenkých vrstev a vysokoteplotní žíhání, zatímco nízkotlaké pece jsou určeny pro růst různých typů tenkých vrstev (jako LPCVD a ALD). Struktury různých zařízení trubkových pecí jsou podobné a lze je flexibilně konfigurovat tak, aby podle potřeby prováděly funkce difúze, oxidace, žíhání, LPCVD a ALD. Vysoce čisté slinuté SiC trubky, SiC oplatkové čluny a SiC vyzdívky jsou základními součástmi uvnitř reakční komory zařízení trubkové pece. V závislosti na požadavcích zákazníka navícSiC povlakvrstvu lze nanést na povrch slinuté keramiky SiC pro zvýšení výkonu.

V oblasti fotovoltaické výroby granulovaného křemíku, proč jeSiC povlakHrát klíčovou roli?

Polysilicon, odvozený od křemíku metalurgické kvality (nebo průmyslového křemíku), je nekovový materiál čištěný řadou fyzikálních a chemických reakcí, aby se dosáhlo obsahu křemíku přesahujícího 99,9999 % (6N). Ve fotovoltaické oblasti se polysilikon zpracovává na destičky, články a moduly, které se nakonec používají ve fotovoltaických systémech výroby energie, díky čemuž je polysilikon klíčovou součástí řetězce fotovoltaického průmyslu. V současné době existují dvě technologické cesty pro výrobu polysilikonu: modifikovaný Siemens proces (výtěžný tyčovitý křemík) a silanový fluidní proces (výtěžnost granulovaného křemíku). V modifikovaném Siemens procesu je vysoce čistý SiHCl3 redukován vysoce čistým vodíkem na vysoce čistém křemíkovém jádru při teplotě kolem 1150 °C, což vede k depozici polysilikonu na křemíkovém jádru. Proces silanového fluidního lože typicky používá SiH4 jako zdroj křemíku a H2 jako nosný plyn, s přídavkem SiCl4 k tepelnému rozkladu SiH4 v reaktoru s fluidním ložem při 600-800 °C za vzniku granulovaného polykřemíku. Modifikovaný proces Siemens zůstává hlavním proudem výroby polysilikonu díky své relativně vyspělé výrobní technologii. Nicméně, protože společnosti jako GCL-Poly a Tianhong Reike pokračují v pokroku technologie granulovaného křemíku, silanový proces ve fluidním loži může získat podíl na trhu díky nižší ceně a snížené uhlíkové stopě.

Kontrola čistoty produktu byla historicky slabou stránkou procesu s fluidním ložem, což je hlavní důvod, proč nepřekonal proces Siemens navzdory jeho významným cenovým výhodám. Výstelka slouží jako hlavní konstrukce a reakční nádoba procesu silanového fluidního lože, chrání kovový plášť reaktoru před erozí a opotřebením vysokoteplotními plyny a materiály a zároveň izoluje a udržuje teplotu materiálu. Kvůli drsným pracovním podmínkám a přímému kontaktu s granulovaným křemíkem musí výstelkový materiál vykazovat vysokou čistotu, odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi a vysokou pevnost. Mezi běžné materiály patří grafit s aSiC povlak. Při skutečném použití však dochází k odlupování/praskání povlaku, které vede k nadměrnému obsahu uhlíku v granulovaném křemíku, což má za následek krátkou životnost grafitových obložení a potřebu pravidelné výměny, což je klasifikuje jako spotřební materiál. Technické problémy související s výstelkovými materiály fluidního lože s povlakem SiC a jejich vysoké náklady brání přijetí silanového procesu ve fluidním loži na trhu a musí být řešeny pro širší použití.

V jakých aplikacích se používá pyrolytický grafitový povlak?

Pyrolytický grafit je nový uhlíkový materiál, sestávající z vysoce čistých uhlovodíků chemicky napařených při tlacích v peci mezi 1800 °C a 2000 °C, což vede k vysoce krystalograficky orientovanému pyrolytickému uhlíku. Vyznačuje se vysokou hustotou (2,20 g/cm³), vysokou čistotou a anizotropními tepelnými, elektrickými, magnetickými a mechanickými vlastnostmi. Dokáže udržet vakuum 10 mmHg i při přibližně 1800 °C a nachází široký aplikační potenciál v oblastech, jako je letectví, polovodiče, fotovoltaika a analytické přístroje.

V červenožluté epitaxi LED a určitých speciálních scénářích strop MOCVD nevyžaduje ochranu povlakem SiC a místo toho používá roztok povlaku z pyrolytického grafitu.

Kelímky pro odpařování hliníku elektronovým paprskem vyžadují vysokou hustotu, odolnost proti vysokým teplotám, dobrou odolnost proti tepelným šokům, vysokou tepelnou vodivost, nízký koeficient tepelné roztažnosti a odolnost vůči korozi kyselinami, zásadami, solemi a organickými činidly. Vzhledem k tomu, že pyrolytický grafitový povlak sdílí stejný materiál jako grafitový kelímek, může účinně odolávat cyklování při vysokých nízkých teplotách, čímž se prodlužuje životnost grafitového kelímku.**