Melyek a SiC és TaC bevonatok alkalmazásai a félvezető területen?

Hogyan definiálják tágan a félvezető szektort, és mik a fő összetevői?

A félvezető szektor nagy vonalakban a félvezető anyagok tulajdonságainak felhasználását jelenti félvezető integrált áramkörök (IC), félvezető kijelzők (LCD/OLED panelek), félvezető világítás (LED) és félvezető energiatermékek (fotovoltaik) előállításához kapcsolódó félvezető gyártási folyamatokon keresztül. Az integrált áramkörök ennek a szektornak a 80%-át teszik ki, ezért szűken véve a félvezetőipar gyakran kifejezetten az IC-iparra utal.

Lényegében a félvezetőgyártás magában foglalja az áramköri struktúrák létrehozását egy „szubsztrátumon”, és ennek az áramkörnek a külső tápellátáshoz és vezérlőrendszerekhez való csatlakoztatását a különféle funkciók elérése érdekében. Az iparban használt szubsztrátumok készülhetnek félvezető anyagokból, például Si vagy SiC, vagy nem félvezető anyagokból, például zafírból vagy üvegből. A LED- és panelipar kivételével a szilíciumlapkák a leggyakrabban használt hordozók. Az epitaxia egy új vékonyrétegű anyag szubsztrátumon történő növesztésének folyamatára utal, amelyekben a szokásos anyagok a Si, SiC, GaN, GaAs stb. Az epitaxia jelentős rugalmasságot biztosít az eszköztervezők számára az eszköz teljesítményének optimalizálása érdekében az olyan tényezők szabályozásával, mint az adalékolás vastagsága, Az epitaxiális réteg koncentrációja és profilja a szubsztráttól függetlenül. Ezt a szabályozást doppingolással érik el az epitaxiális növekedési folyamat során.

Miből áll a félvezető gyártás front-end folyamata?

A front-end folyamat a félvezetőgyártás technikailag legbonyolultabb és leginkább tőkeigényes része, amely ugyanazon eljárás többszöri megismétlését igényli, ezért „ciklikus folyamatnak” nevezik. Elsősorban tisztítást, oxidációt, fotolitográfiát, maratást, ionbeültetést, diffúziót, lágyítást, vékonyréteg-leválasztást és polírozást foglal magában.

Hogyan védik a bevonatok a félvezetőgyártó berendezéseket?

A félvezető gyártó berendezések magas hőmérsékletű, erősen korrozív környezetben működnek, és rendkívül magas tisztaságot igényelnek. Így a berendezés belső alkatrészeinek védelme döntő kihívás. A bevonattechnológia javítja és védi az alapanyagokat azáltal, hogy vékony fedőréteget képez a felületükön. Ez az adaptáció lehetővé teszi, hogy az alapanyagok ellenálljanak a szélsőségesebb és összetettebb gyártási környezeteknek, javítva magas hőmérsékleti stabilitásukat, korrózióállóságukat, oxidációállóságukat és meghosszabbítva élettartamukat.

Miért vanSiC bevonatJelentős a szilícium szubsztrát gyártás területén?

A szilíciumkristály növesztő kemencékben a magas hőmérsékletű, 1500°C körüli szilíciumgőz jelentősen korrodálhatja a grafit vagy szén-szén anyagkomponenseket. Alkalmazása nagy tisztaságúSiC bevonatezeken az alkatrészeken hatékonyan blokkolja a szilíciumgőzt és meghosszabbítja az alkatrészek élettartamát.

A félvezető szilícium lapkák gyártási folyamata összetett, számos lépésből áll, a kristálynövekedés, a szilíciumlapka kialakítása és az epitaxiális növekedés az elsődleges szakaszok. A kristálynövekedés a szilíciumlapka-gyártás alapvető folyamata. Az egykristályos előkészítési fázis során meghatározzák a döntő műszaki paramétereket, mint például a lapka átmérőjét, a kristály orientációját, az adalékolás vezetőképességének típusát, az ellenállási tartományt és eloszlást, a szén- és oxigénkoncentrációt, valamint a rácshibákat. Az egykristályos szilíciumot általában a Czochralski (CZ) vagy a Float Zone (FZ) módszerrel állítják elő. A CZ módszer a leggyakrabban használt, a szilícium egykristályok körülbelül 85%-át teszi ki. 12 hüvelykes szilícium lapkák csak CZ módszerrel állíthatók elő. Ez a módszer abból áll, hogy nagy tisztaságú poliszilícium anyagot helyeznek egy kvarctégelybe, megolvasztják nagy tisztaságú inert gáz védelme alatt, majd egykristályos szilícium magot helyeznek az olvadékba. Ahogy a magot felhúzzák, a kristály monokristályos szilícium rúddá nő.

Hogy vanTaC bevonatA PVT módszerekkel fejlődik?

A SiC benne rejlő jellemzői (a Si:C=1:1 folyadékfázis hiánya légköri nyomáson) kihívást jelentenek az egykristály növekedésében. Jelenleg a főbb módszerek közé tartozik a fizikai gőzszállítás (PVT), a magas hőmérsékletű kémiai gőzleválasztás (HT-CVD) és a folyadékfázisú epitaxia (LPE). Ezek közül a PVT a legszélesebb körben elterjedt, alacsonyabb berendezésigénye, egyszerűbb folyamata, erős irányíthatósága és bevált ipari alkalmazásai miatt.

A PVT módszer lehetővé teszi az axiális és radiális hőmérsékletmezők szabályozását a grafittégelyen kívüli hőszigetelési feltételek beállításával. A SiC port a grafittégely melegebb aljára helyezik, míg a SiC magkristály a hűvösebb tetejére van rögzítve. A por és a mag közötti távolságot általában több tíz milliméterre szabályozzák, hogy elkerüljék a növekvő SiC kristály és a por közötti érintkezést. Különböző melegítési módszerekkel (indukciós vagy ellenállásos melegítés) a SiC port 2200-2500 °C-ra hevítik, aminek következtében az eredeti por szublimálódik és gáz halmazállapotú komponensekre bomlik, mint például Si, Si2C és SiC2. Ezek a gázok konvekcióval jutnak el a magkristály végéhez, ahol a SiC kristályosodik, egykristálynövekedést érve el. A tipikus növekedési sebesség 0,2-0,4 mm/h, amihez 7-14 napra van szükség egy 20-30 mm-es kristályrúd termesztéséhez.

A szénzárványok jelenléte a PVT-n növesztett SiC kristályokban jelentős hibaforrás, ami hozzájárul a mikrocsövek és polimorf hibák kialakulásához, amelyek rontják a SiC kristályok minőségét és korlátozzák a SiC alapú eszközök teljesítményét. Általában a SiC-por grafitosítása és a szénben gazdag növekedési front a szénzárványok elismert forrása: 1) A SiC-por bomlása során a Si-gőz a gázfázisban halmozódik fel, míg a C a szilárd fázisban koncentrálódik, ami a por súlyos elszenesítéséhez vezet. késői növekedésben. Amint a porban lévő szénrészecskék legyőzik a gravitációt, és bediffundálnak a SiC tömbbe, szénzárványok képződnek. 2) Si-dús körülmények között a felesleges Si-gőz reakcióba lép a grafittégely falával, vékony SiC réteget képezve, amely könnyen lebomlik szénrészecskékre és Si-tartalmú komponensekre.

Két megközelítéssel lehet megoldani ezeket a problémákat: 1) Szűrje ki a szénrészecskéket erősen elszenesedett SiC-porból a növekedés késői szakaszában. 2) Akadályozza meg, hogy a Si-gőz korrodálja a grafittégely falát. Sok karbid, például a TaC, stabilan működik 2000 °C felett, és ellenáll a savak, lúgok, NH3, H2 és Si gőzök által okozott kémiai korróziónak. A SiC lapkák iránti növekvő minőségi igények miatt iparilag vizsgálják a TaC bevonatok alkalmazását a SiC kristálynövekedési technológiában. A tanulmányok azt mutatják, hogy a TaC-bevonatú grafitkomponensek felhasználásával PVT növesztőkemencékben előállított SiC kristályok tisztábbak, jelentősen csökken a hibasűrűség, ami jelentősen javítja a kristályminőséget.

a) PorózusTaC vagy TaC bevonatú porózus grafit: Szűri a szénrészecskéket, megakadályozza a kristályba való diffúziót, és egyenletes légáramlást biztosít.

b)TaC bevonattalgyűrűk: izolálja a Si-gőzt a grafittégely faláról, megakadályozva a tégely falának Si-gőz általi korrózióját.

c)TaC bevonattaláramlási vezetők: izolálja a Si-gőzt a grafittégely faláról, miközben a levegőáramlást a magkristály felé irányítja.

d)TaC bevonattalmagkristálytartók: izolálja a szilícium-gőzt a tégely felső fedeléről, hogy megakadályozza a felső fedél Si-gőz általi korrózióját.

HogyanCVD SiC bevonatElőnyök a GaN szubsztrátumgyártásban?

Jelenleg a GaN hordozók kereskedelmi gyártása pufferréteg (vagy maszkréteg) létrehozásával kezdődik egy zafír hordozón. Hidrogén gőzfázisú epitaxiát (HVPE) alkalmaznak azután GaN film gyors növesztésére ezen a pufferrétegen, majd elválasztással és polírozással szabadon álló GaN szubsztrátot kapnak. Hogyan működik a HVPE atmoszférikus nyomású kvarcreaktorokban, tekintettel az alacsony és magas hőmérsékletű kémiai reakciókra egyaránt?

Az alacsony hőmérsékletű zónában (800-900 °C) a gáznemű HCl reakcióba lép a fémes Ga-val, és gáznemű GaCl-t képez.

A magas hőmérsékletű zónában (1000-1100°C) a gáznemű GaCl reakcióba lép gáznemű NH3-mal, így GaN egykristályos filmet képez.

Melyek a HVPE berendezések szerkezeti elemei, és hogyan védik őket a korróziótól? A HVPE berendezés lehet vízszintes vagy függőleges, és olyan alkatrészekből állhat, mint a galliumhajó, a kemencetest, a reaktor, a gázkonfigurációs rendszer és a kipufogórendszer. Az NH3-mal érintkező grafittálcák és rudak érzékenyek a korrózióra, és védhetőkSiC bevonatkárok elkerülése érdekében.

Mi a jelentősége a CVD-technológiának a GaN Epitaxy-gyártással szemben?

A félvezető eszközök területén miért szükséges epitaxiális rétegeket építeni bizonyos szelethordozókra? Tipikus példa a kék-zöld LED-ek, amelyekhez GaN epitaxiális rétegre van szükség a zafír hordozókon. A MOCVD berendezések létfontosságúak a GaN epitaxia gyártási folyamatában, a vezető beszállítók az AMEC, az Aixtron és a Veeco Kínában.

Miért nem lehet a szubsztrátumokat közvetlenül fémre vagy egyszerű alapokra helyezni az epitaxiális lerakódás során a MOCVD rendszerekben? Figyelembe kell venni olyan tényezőket, mint a gázáramlás iránya (vízszintes, függőleges), hőmérséklet, nyomás, az aljzat rögzítése és a törmelékből származó szennyeződés. Ezért zsebekkel ellátott szuszceptort használnak a szubsztrátumok tartására, és az epitaxiális lerakódást CVD technológiával végzik az ezekben a zsebekben elhelyezett szubsztrátumokon. AA susceptor egy grafit alap SiC bevonattal.

Mi a fő kémiai reakció a GaN epitaxiában, és miért döntő a SiC bevonat minősége? A magreakció NH3 + TMGa → GaN + melléktermékek (körülbelül 1050-1100 °C-on). Az NH3 azonban magas hőmérsékleten termikusan lebomlik, és atomos hidrogén szabadul fel, amely erősen reagál a grafitban lévő szénnel. Mivel az NH3/H2 nem lép reakcióba a SiC-vel 1100 °C-on, a SiC bevonat teljes kapszulázása és minősége kritikus fontosságú a folyamat szempontjából.

A SiC epitaxia gyártás területén hogyan alkalmazzák a bevonatokat a főbb típusú reakciókamrákban?

A SiC egy tipikus politípusos anyag, több mint 200 különböző kristályszerkezettel, amelyek közül a 3C-SiC, 4H-SiC és 6H-SiC a leggyakoribb. A 4H-SiC az a kristályszerkezet, amelyet túlnyomórészt a mainstream eszközökben használnak. A kristályszerkezetet jelentősen befolyásoló tényező a reakcióhőmérséklet. Egy adott küszöbérték alatti hőmérséklet általában más kristályformákat eredményez. Az optimális reakcióhőmérséklet 1550 és 1650 °C között van; 1550 °C alatti hőmérsékleten nagyobb valószínűséggel képződnek 3C-SiC és egyéb szerkezetek. A 3C-SiC-t azonban általában használjákSiC bevonatok, és az 1600 °C körüli reakcióhőmérséklet közel van a 3C-SiC határértékéhez. Bár a TaC bevonatok jelenlegi alkalmazását költségproblémák korlátozzák, hosszú távonTaC bevonatokvárhatóan fokozatosan felváltják a SiC bevonatokat a SiC epitaxiális berendezésekben.

Jelenleg három fő CVD-rendszer létezik a SiC epitaxiához: planetáris melegfalú, vízszintes melegfalú és függőleges melegfalú. A planetáris melegfalú CVD rendszert az jellemzi, hogy képes több ostya termesztésére egyetlen tételben, ami magas termelési hatékonyságot eredményez. A vízszintes melegfalú CVD-rendszer tipikusan egylapos, nagy méretű növesztőrendszert foglal magában, amelyet gázúszó-forgás hajt, ami lehetővé teszi a kiváló szeleten belüli specifikációkat. A függőleges melegfalú CVD rendszer főként nagy sebességű forgást tesz lehetővé, amelyet egy külső mechanikus alap segít. Hatékonyan csökkenti a határréteg vastagságát azáltal, hogy alacsonyabb reakciókamra nyomást tart fenn, így fokozza az epitaxiális növekedési sebességet. Ezenkívül a kamra kialakításából hiányzik a felső fal, amely SiC-részecskék lerakódásához vezethet, minimálisra csökkentve a részecskék leesésének kockázatát, és előnyt jelent a hibaelhárításban.

A magas hőmérsékletű termikus feldolgozáshoz, mi az alkalmazásaCVD SiCa csőkemencékben?

A csőkemencék berendezéseit széles körben használják olyan folyamatokban, mint az oxidáció, diffúzió, vékonyréteg-növekedés, izzítás és ötvözés a félvezetőiparban. Két fő típusa van: vízszintes és függőleges. Jelenleg az IC-ipar elsősorban függőleges csőkemencéket használ. A folyamat nyomásától és alkalmazásától függően a csőkemencék berendezései atmoszférikus nyomású kemencékre és alacsony nyomású kemencékre oszthatók. Az atmoszférikus nyomású kemencéket főként termikus diffúziós adalékolásra, vékonyréteg-oxidációra és magas hőmérsékletű lágyításra használják, míg az alacsony nyomású kemencéket különféle vékonyrétegek (például LPCVD és ALD) növesztésére tervezték. A különböző csőkemencék berendezéseinek felépítése hasonló, és szükség szerint rugalmasan konfigurálhatók diffúziós, oxidációs, lágyítási, LPCVD és ALD funkciók ellátására. A nagy tisztaságú szinterezett SiC csövek, a SiC ostyák és a SiC bélésfalak alapvető alkotóelemek a csőkemencék berendezésének reakciókamrájában. Az ügyfél igényeitől függően továbbiSiC bevonatréteg felvihető a szinterezett SiC kerámiák felületére a teljesítmény fokozása érdekében.

Miért van ez a fotovoltaikus szemcsés szilícium gyártás területénSiC bevonatKulcsszerepet játszik?

A kohászati ​​minőségű szilíciumból (vagy ipari szilíciumból) származó poliszilícium egy nem fémes anyag, amelyet fizikai és kémiai reakciók sorozatával tisztítanak meg, hogy elérjék a 99,9999%-ot (6N) meghaladó szilíciumtartalmat. A fotovoltaikus területen a poliszilíciumot lapkákká, cellákká és modulokká dolgozzák fel, amelyeket végső soron a fotovoltaikus energiatermelő rendszerekben használnak fel, így a poliszilícium a fotovoltaikus ipari lánc döntő fontosságú elemévé válik. Jelenleg a poliszilícium előállításának két technológiai útja létezik: a módosított Siemens-eljárás (rúdszerű szilícium termelése) és a szilán fluidágyas eljárás (szemcsés szilícium előállítása). A módosított Siemens-eljárásban a nagy tisztaságú SiHCl3-at nagy tisztaságú hidrogénnel redukálják egy nagy tisztaságú szilíciummagon körülbelül 1150 °C-on, ami poliszilícium lerakódását eredményezi a szilícium magon. A szilán fluidizált ágyas eljárás jellemzően SiH4-et használ szilíciumforrás gázként és H2-t vivőgázként, SiCl4 hozzáadásával a SiH4 termikus lebontására egy fluidágyas reaktorban 600-800 °C-on szemcsés poliszilícium előállítására. A módosított Siemens-eljárás a viszonylag kiforrott gyártási technológiája miatt továbbra is a poliszilícium gyártás fő irányvonala. Mivel azonban az olyan cégek, mint a GCL-Poly és a Tianhong Reike továbbra is fejlesztik a szemcsés szilícium technológiát, a szilán fluidágyas eljárás piaci részesedést szerezhet alacsonyabb költsége és csökkentett szénlábnyoma miatt.

A terméktisztaság-ellenőrzés történelmileg a fluidágyas eljárás gyenge pontja volt, ami az elsődleges oka annak, hogy jelentős költségelőnyei ellenére sem haladta meg a Siemens eljárást. A bélés a szilán fluidágyas folyamat fő szerkezete és reakcióedényeként szolgál, védi a reaktor fémhéját az eróziótól és a magas hőmérsékletű gázok és anyagok által okozott kopástól, miközben szigeteli és fenntartja az anyag hőmérsékletét. A kemény munkakörülmények és a szemcsés szilíciummal való közvetlen érintkezés miatt a bélésanyagnak nagy tisztaságúnak, kopásállónak, korrózióállónak és nagy szilárdságúnak kell lennie. Elterjedt anyagok közé tartozik a grafit aSiC bevonat. A tényleges használat során azonban előfordul, hogy a bevonat leválása/repedése a szemcsés szilíciumban túlzott széntartalomhoz vezet, ami a grafitbélések rövid élettartamát és rendszeres cseréjét, fogyóeszközök közé sorolását eredményezi. A SiC bevonatú fluidágyas bélésanyagokkal kapcsolatos műszaki kihívások és azok magas költségei akadályozzák a szilán fluidágyas eljárás piaci elterjedését, és a szélesebb körű alkalmazás érdekében ezeket kezelni kell.

Milyen alkalmazásokban használják a pirolitikus grafit bevonatot?

A pirolitikus grafit egy új szénanyag, amely nagy tisztaságú szénhidrogénekből áll, amelyeket 1800 °C és 2000 °C közötti kemencenyomáson kémiai úton gőzzel leválasztottak, és így erősen krisztallográfiailag orientált pirolitikus szenet eredményeznek. Nagy sűrűségű (2,20 g/cm³), nagy tisztaságú, valamint anizotróp termikus, elektromos, mágneses és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik. Még körülbelül 1800°C-on is képes 10 Hgmm-es vákuumot fenntartani, széles körű alkalmazási lehetőséget találva az olyan területeken, mint a repülés, a félvezetők, a fotovoltaika és az analitikai műszerek.

Piros-sárga LED-es epitaxia és bizonyos speciális forgatókönyvek esetén a MOCVD mennyezet nem igényel SiC bevonat védelmet, hanem pirolitikus grafit bevonat megoldást használ.

Az elektronsugaras párolgásos alumínium olvasztótégelyei nagy sűrűséget, magas hőmérsékleti ellenállást, jó hősokkállóságot, nagy hővezetőképességet, alacsony hőtágulási együtthatót, valamint savak, lúgok, sók és szerves reagensek által okozott korrózióval szembeni ellenállást igényelnek. Mivel a pirolitikus grafitbevonat ugyanabból az anyagból készül, mint a grafittégely, hatékonyan ellenáll a magas alacsony hőmérsékletű ciklusoknak, meghosszabbítva a grafittégely élettartamát.**