Какви са приложенията на SiC и TaC покритията в областта на полупроводниците?

Как е най-общо дефиниран секторът на полупроводниците и какви са основните му компоненти?

Секторът на полупроводниците в общи линии се отнася до използването на свойствата на полупроводниковите материали за производство на полупроводникови интегрални схеми (IC), полупроводникови дисплеи (LCD/OLED панели), полупроводниково осветление (LED) и полупроводникови енергийни продукти (фотоволтаици) чрез свързани производствени процеси на полупроводници. Интегралните схеми представляват до 80% от този сектор, така че, тясно казано, полупроводниковата индустрия често се отнася конкретно до IC индустрията.

По същество производството на полупроводници включва създаване на верижни структури върху „субстрат“ и свързване на тази верига към външни захранващи и контролни системи за постигане на различни функционалности. Субстратите, термин, използван в индустрията, могат да бъдат направени от полупроводникови материали като Si или SiC или не-полупроводникови материали като сапфир или стъкло. С изключение на LED и панелната индустрия, силиконовите пластини са най-често използваните субстрати. Епитаксията се отнася до процеса на отглеждане на нов тънкослоен материал върху субстрата, като обичайните материали са Si, SiC, GaN, GaAs и т.н. Епитаксията осигурява значителна гъвкавост за дизайнерите на устройства за оптимизиране на работата на устройството чрез контролиране на фактори като дебелината на допинга, концентрация и профил на епитаксиалния слой, независимо от субстрата. Този контрол се постига чрез допинг по време на процеса на епитаксиален растеж.

Какво включва предния процес в производството на полупроводници?

Процесът на предния край е технически най-сложната и капиталоемка част от производството на полупроводници, изискваща многократно повторение на едни и същи процедури, поради което се нарича „цикличен процес“. Основно включва почистване, окисление, фотолитография, ецване, йонна имплантация, дифузия, отгряване, отлагане на тънък слой и полиране.

Как покритията защитават оборудването за производство на полупроводници?

Оборудването за производство на полупроводници работи при висока температура, силно корозивна среда и изисква изключително висока чистота. Следователно защитата на вътрешните компоненти на оборудването е изключително предизвикателство. Технологията на покритие подобрява и защитава основните материали чрез образуване на тънък покривен слой върху техните повърхности. Тази адаптация позволява на основните материали да издържат на по-екстремни и сложни производствени среди, подобрявайки тяхната стабилност при висока температура, устойчивост на корозия, устойчивост на окисление и удължавайки живота им.

Защо еSiC покритиеЗначителен в сферата на производството на силиконови субстрати?

В пещите за отглеждане на силициеви кристали високотемпературните силициеви пари около 1500°C могат значително да корозират компонентите на графит или въглерод-въглеродни материали. Прилагане на висока чистотаSiC покритиевърху тези компоненти може ефективно да блокира силициевите пари и да удължи експлоатационния живот на компонентите.

Производственият процес на полупроводникови силициеви пластини е сложен и включва множество стъпки, като растежът на кристалите, формирането на силициевата пластина и епитаксиалният растеж са основните етапи. Растежът на кристали е основният процес в производството на силициеви пластини. По време на фазата на подготовка на монокристала се определят важни технически параметри като диаметър на пластината, ориентация на кристала, тип проводимост на допинга, обхват и разпределение на съпротивлението, концентрация на въглерод и кислород и дефекти на решетката. Монокристалният силиций обикновено се приготвя, като се използва или методът на Чохралски (CZ), или методът на плаващата зона (FZ). CZ методът е най-често използваният, представляващ около 85% от силициевите монокристали. 12-инчовите силиконови пластини могат да се произвеждат само по метода CZ. Този метод включва поставяне на полисилициев материал с висока чистота в кварцов тигел, стопяването му под защитата на инертен газ с висока чистота и след това вмъкване на монокристално силициево семе в стопилката. Докато семето се издърпва нагоре, кристалът прераства в монокристален силиконов прът.

Как еTaC покритиеРазвивате ли се с PVT методи?

Присъщите характеристики на SiC (липса на Si:C=1:1 течна фаза при атмосферно налягане) правят монокристалния растеж предизвикателство. Понастоящем основните методи включват физически пренос на пари (PVT), високотемпературно химическо отлагане на пари (HT-CVD) и епитаксия в течна фаза (LPE). Сред тях PVT е най-широко възприетият поради по-ниските си изисквания към оборудването, по-опростен процес, силна контролируемост и установени индустриални приложения.

PVT методът позволява контрол върху аксиалните и радиалните температурни полета чрез регулиране на условията на топлоизолация извън графитния тигел. SiC прахът се поставя в по-горещото дъно на графитния тигел, докато SiC зародишният кристал е фиксиран в по-хладната горна част. Разстоянието между праха и семето обикновено се контролира до няколко десетки милиметра, за да се избегне контакт между растящия SiC кристал и праха. Използвайки различни методи на нагряване (индукционно или съпротивително нагряване), SiC прахът се нагрява до 2200-2500°C, което води до сублимация на оригиналния прах и разлагане на газообразни компоненти като Si, Si2C и SiC2. Тези газове се транспортират до края на зародишния кристал чрез конвекция, където SiC кристализира, постигайки монокристален растеж. Типичната скорост на растеж е 0,2-0,4 mm/h, което изисква 7-14 дни за отглеждане на 20-30 mm кристален блок.

Наличието на въглеродни включвания в кристали SiC, отгледани чрез PVT, е значителен източник на дефекти, допринасящ за микротръби и полиморфни дефекти, които влошават качеството на кристалите SiC и ограничават производителността на базираните на SiC устройства. Като цяло, графитизацията на SiC прах и богатият на въглерод фронт на растеж са признати източници на въглеродни включвания: 1) По време на разлагането на SiC прах, Si парите се натрупват в газовата фаза, докато C се концентрира в твърдата фаза, което води до тежка карбонизация на праха късно в растежа. След като въглеродните частици в праха преодолеят гравитацията и дифундират в SiC слитъка, се образуват въглеродни включвания. 2) При условия, богати на Si, излишните Si пари реагират със стената на графитния тигел, образувайки тънък SiC слой, който може лесно да се разложи на въглеродни частици и Si-съдържащи компоненти.

Два подхода могат да се справят с тези проблеми: 1) Филтриране на въглеродни частици от силно карбонизиран SiC прах в късен етап на растеж. 2) Предотвратете корозията на Si-парите по стената на графитния тигел. Много карбиди, като TaC, могат да работят стабилно над 2000°C и да издържат на химическа корозия от киселини, основи, NH3, H2 и Si пари. С нарастващите изисквания за качество на SiC пластините, приложението на TaC покрития в технологията за растеж на кристали SiC се проучва индустриално. Проучванията показват, че кристалите SiC, получени с помощта на графитни компоненти с покритие от TaC в пещи за растеж на PVT, са по-чисти, със значително намалена плътност на дефектите, което значително подобрява качеството на кристалите.

а) ПорестиTaC или порест графит с TaC покритие: Филтрира въглеродните частици, предотвратява дифузията в кристала и осигурява равномерен въздушен поток.

б)TaC покритиепръстени: Изолирайте Si парите от стената на графитния тигел, предотвратявайки корозията на стените на тигела от Si парите.

в)TaC покритиеводачи на потока: Изолирайте Si парите от стената на графитния тигел, докато насочвате въздушния поток към зародишния кристал.

г)TaC покритиедържачи на зародишни кристали: Изолирайте парата Si от горния капак на тигела, за да предотвратите корозията на горния капак от парата Si.

Как ставаCVD SiC покритиеПолза от производството на GaN субстрат?

Понастоящем търговското производство на GaN субстрати започва със създаването на буферен слой (или маскиращ слой) върху сапфирен субстрат. След това се използва епитаксия с водородни пари (HVPE) за бързо отглеждане на GaN филм върху този буферен слой, последвано от разделяне и полиране за получаване на свободно стоящ GaN субстрат. Как работи HVPE в кварцовите реактори при атмосферно налягане, като се има предвид изискването му както за нискотемпературни, така и за високотемпературни химични реакции?

В нискотемпературната зона (800-900°C), газообразният HCl реагира с метален Ga, за да се получи газообразен GaCl.

Във високотемпературната зона (1000-1100°C), газообразният GaCl реагира с газообразния NH3, за да образува GaN монокристален филм.

Какви са структурните компоненти на HVPE оборудването и как са защитени от корозия? HVPE оборудването може да бъде хоризонтално или вертикално, състоящо се от компоненти като галиева лодка, тяло на пещта, реактор, система за конфигурация на газ и изпускателна система. Графитните тави и пръти, които влизат в контакт с NH3, са податливи на корозия и могат да бъдат защитени сSiC покритиеза предотвратяване на щети.

Какво е значението на CVD технологията пред производството на GaN епитаксия?

В областта на полупроводниковите устройства, защо е необходимо да се конструират епитаксиални слоеве върху определени подложки на пластини? Типичен пример включва синьо-зелени светодиоди, които изискват епитаксиални слоеве GaN върху сапфирени субстрати. Оборудването MOCVD е жизненоважно в производствения процес на епитаксия на GaN, като водещите доставчици са AMEC, Aixtron и Veeco в Китай.

Защо субстратите не могат да се поставят директно върху метални или прости основи по време на епитаксиално отлагане в системи MOCVD? Трябва да се вземат предвид фактори като посока на газовия поток (хоризонтална, вертикална), температура, налягане, фиксиране на субстрата и замърсяване от отломки. Следователно се използва фиксатор с джобове за задържане на субстратите, а епитаксиалното отлагане се извършва с помощта на CVD технология върху субстрати, поставени в тези джобове. Theтокоприемникът е графитна основа с SiC покритие.

Каква е основната химическа реакция в GaN епитаксията и защо качеството на SiC покритието е от решаващо значение? Основната реакция е NH3 + TMGa → GaN + странични продукти (при приблизително 1050-1100°C). Въпреки това, NH3 се разлага термично при високи температури, освобождавайки атомен водород, който реагира силно с въглерода в графита. Тъй като NH3/H2 не реагира с SiC при 1100°C, пълното капсулиране и качеството на SiC покритието са критични за процеса.

В областта на епитаксиалното производство на SiC, как се нанасят покритията в рамките на основните типове реакционни камери?

SiC е типичен политипичен материал с над 200 различни кристални структури, сред които 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC са най-често срещаните. 4H-SiC е кристалната структура, използвана предимно в основните устройства. Важен фактор, влияещ върху кристалната структура, е реакционната температура. Температурите под определен праг са склонни да произвеждат други кристални форми. Оптималната реакционна температура е между 1550 и 1650°C; температури под 1550°C са по-склонни да дадат 3C-SiC и други структури. Въпреки това, 3C-SiC обикновено се използва вSiC покрития, а реакционна температура от около 1600°C е близо до границата на 3C-SiC. Въпреки че настоящото приложение на TaC покрития е ограничено от проблеми с разходите, в дългосрочен план,TaC покритиясе очаква постепенно да заменят SiC покритията в SiC епитаксиалното оборудване.

Понастоящем има три основни типа CVD системи за SiC епитаксия: планетарна гореща стена, хоризонтална гореща стена и вертикална гореща стена. Планетарната CVD система с гореща стена се характеризира със способността си да отглежда множество вафли в една партида, което води до висока производствена ефективност. Хоризонталната CVD система с горещи стени обикновено включва система за растеж с голям размер с една пластина, задвижвана от въртене на газовия поплавък, което улеснява отличните спецификации на вътрешната пластина. Вертикалната CVD система с горещи стени включва главно високоскоростно въртене, подпомагано от външна механична основа. Той ефективно намалява дебелината на граничния слой чрез поддържане на по-ниско налягане в реакционната камера, като по този начин повишава скоростта на епитаксиален растеж. Освен това в дизайна на камерата му липсва горна стена, която би могла да доведе до отлагане на SiC частици, минимизиране на риска от падане на частици и осигуряване на присъщо предимство при контрола на дефектите.

За високотемпературна термична обработка, какви са приложениятаCVD SiCв оборудване за тръбни пещи?

Оборудването за тръбна пещ се използва широко в процеси като окисление, дифузия, растеж на тънък слой, отгряване и легиране в полупроводниковата индустрия. Има два основни вида: хоризонтални и вертикални. Понастоящем IC индустрията използва предимно вертикални тръбни пещи. В зависимост от налягането на процеса и приложението, оборудването за тръбни пещи може да бъде категоризирано на пещи с атмосферно налягане и пещи с ниско налягане. Пещите при атмосферно налягане се използват главно за термично дифузионно легиране, тънкослойно оксидиране и високотемпературно отгряване, докато пещите при ниско налягане са предназначени за растеж на различни видове тънки филми (като LPCVD и ALD). Структурите на различни съоръжения за тръбна пещ са сходни и те могат да бъдат гъвкаво конфигурирани, за да изпълняват функции на дифузия, окисление, отгряване, LPCVD и ALD, ако е необходимо. Тръби от синтерован SiC с висока чистота, пластини от SiC и облицовъчни стени от SiC са основни компоненти в реакционната камера на оборудването на тръбната пещ. В зависимост от изискванията на клиента, допSiC покритиеслой може да се нанесе върху повърхността на синтерована SiC керамика за подобряване на производителността.

В областта на фотоволтаичното производство на гранулиран силиций защо еSiC покритиеИграете централна роля?

Полисилиций, получен от металургичен силиций (или промишлен силиций), е неметален материал, пречистен чрез поредица от физични и химични реакции, за да се постигне съдържание на силиций, надвишаващо 99,9999% (6N). Във фотоволтаичната област полисилицият се преработва във пластини, клетки и модули, които в крайна сметка се използват във фотоволтаични системи за генериране на електроенергия, което прави полисилиция важен компонент нагоре по веригата на фотоволтаичната индустрия. Понастоящем има два технологични начина за производство на полисилиций: модифицираният процес на Сименс (получаващ прътовиден силиций) и процесът с кипящ слой на силан (получаващ гранулиран силиций). В модифицирания процес на Siemens SiHCl3 с висока чистота се редуцира от водород с висока чистота върху силициева сърцевина с висока чистота при около 1150°C, което води до отлагане на полисилиций върху силициевата сърцевина. Процесът на силанов кипящ слой обикновено използва SiH4 като газ източник на силиций и H2 като газ-носител, с добавяне на SiCl4 за термично разлагане на SiH4 в реактор с кипящ слой при 600-800°C за получаване на гранулиран полисилиций. Модифицираният процес на Siemens остава основният начин за производство на полисилиций поради относително зрялата производствена технология. Въпреки това, тъй като компании като GCL-Poly и Tianhong Reike продължават да развиват технологията за гранулиран силиций, процесът на кипящ слой на силан може да спечели пазарен дял поради по-ниската си цена и намаления въглероден отпечатък.

Контролът на чистотата на продукта исторически е бил слабото място на процеса на кипящ слой, което е основната причина, поради която той не е надминал процеса на Siemens, въпреки значителните му предимства в разходите. Облицовката служи като основна структура и реакционен съд на процеса с кипящ слой на силан, като предпазва металната обвивка на реактора от ерозия и износване от високотемпературни газове и материали, като същевременно изолира и поддържа температурата на материала. Поради тежките условия на работа и директния контакт с гранулиран силиций, материалът за облицовка трябва да показва висока чистота, устойчивост на износване, устойчивост на корозия и висока якост. Общите материали включват графит с aSiC покритие. При действителна употреба обаче има случаи на отлепване/напукване на покритието, което води до прекомерно съдържание на въглерод в гранулирания силиций, което води до кратък живот на графитните облицовки и необходимостта от редовна подмяна, класифицирайки ги като консумативи. Техническите предизвикателства, свързани с покритите със SiC материали за облицовка на кипящ слой и техните високи разходи възпрепятстват възприемането на пазара на процеса на силанов кипящ слой и трябва да бъдат разгледани за по-широко приложение.

В какви приложения се използва пиролитично графитно покритие?

Пиролитичният графит е нов въглероден материал, състоящ се от въглеводороди с висока чистота, химически отложени от пари при налягане в пещта между 1800°C и 2000°C, което води до силно кристалографски ориентиран пиролитичен въглерод. Отличава се с висока плътност (2,20 g/cm³), висока чистота и анизотропни термични, електрически, магнитни и механични свойства. Той може да поддържа вакуум от 10 mmHg дори при приблизително 1800°C, намирайки широк потенциал за приложение в области като космическото пространство, полупроводниците, фотоволтаиците и аналитични инструменти.

При червено-жълта LED епитаксия и някои специални сценарии MOCVD таванът не изисква защита от SiC покритие и вместо това използва решение за покритие с пиролитичен графит.

Тигелите за алуминий с електронно лъчево изпаряване изискват висока плътност, устойчивост на висока температура, добра устойчивост на термичен шок, висока топлопроводимост, нисък коефициент на термично разширение и устойчивост на корозия от киселини, основи, соли и органични реагенти. Тъй като покритието от пиролитичен графит е от същия материал като графитния тигел, то може ефективно да издържи цикличност при високи и ниски температури, удължавайки експлоатационния живот на графитния тигел.**