Jakie są zastosowania powłok SiC i TaC w dziedzinie półprzewodników?

Jak szeroko definiuje się sektor półprzewodników i jakie są jego główne elementy?

Sektor półprzewodników szeroko odnosi się do wykorzystania właściwości materiałów półprzewodnikowych do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych (IC), wyświetlaczy półprzewodnikowych (paneli LCD/OLED), oświetlenia półprzewodnikowego (LED) i półprzewodnikowych produktów energetycznych (fotowoltaiki) w ramach powiązanych procesów produkcyjnych półprzewodników. Układy scalone stanowią aż 80% tego sektora, dlatego też, mówiąc wąsko, przemysł półprzewodników często odnosi się konkretnie do przemysłu układów scalonych.

Zasadniczo produkcja półprzewodników polega na tworzeniu struktur obwodów na „podłożu” i podłączaniu tego obwodu do zewnętrznych systemów zasilania i sterowania w celu uzyskania różnych funkcjonalności. Podłoża, termin używany w branży, mogą być wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak Si lub SiC, lub materiałów niepółprzewodnikowych, takich jak szafir lub szkło. Z wyjątkiem przemysłu LED i paneli, najczęściej stosowanymi podłożami są płytki krzemowe. Epitaksja odnosi się do procesu wzrostu nowego, cienkowarstwowego materiału na podłożu, przy czym typowymi materiałami są Si, SiC, GaN, GaA itp. Epitaksja zapewnia projektantom urządzeń znaczną elastyczność w zakresie optymalizacji wydajności urządzenia poprzez kontrolowanie takich czynników, jak grubość domieszkowania, stężenie i profil warstwy epitaksjalnej, niezależnie od podłoża. Kontrolę tę osiąga się poprzez domieszkowanie podczas procesu wzrostu epitaksjalnego.

Co obejmuje proces front-end w produkcji półprzewodników?

Proces front-end jest najbardziej złożoną technicznie i kapitałochłonną częścią produkcji półprzewodników, wymagającą wielokrotnego powtarzania tych samych procedur, dlatego nazywany jest „procesem cyklicznym”. Obejmuje to przede wszystkim czyszczenie, utlenianie, fotolitografię, trawienie, implantację jonów, dyfuzję, wyżarzanie, osadzanie cienkowarstwowe i polerowanie.

W jaki sposób powłoki chronią sprzęt do produkcji półprzewodników?

Sprzęt do produkcji półprzewodników działa w środowiskach o wysokiej temperaturze, silnie korozyjnych i wymaga wyjątkowo wysokiej czystości. Dlatego ochrona wewnętrznych elementów sprzętu jest kluczowym wyzwaniem. Technologia powlekania wzmacnia i chroni materiały bazowe, tworząc na ich powierzchni cienką warstwę kryjącą. Ta adaptacja pozwala materiałom podstawowym wytrzymać bardziej ekstremalne i złożone środowiska produkcyjne, poprawiając ich stabilność w wysokich temperaturach, odporność na korozję, odporność na utlenianie i wydłużając ich żywotność.

DlaczegoPowłoka SiCZnaczące w dziedzinie produkcji substratów krzemowych?

W piecach do wzrostu kryształów krzemu pary krzemu o wysokiej temperaturze około 1500°C mogą w znacznym stopniu powodować korozję elementów grafitowych lub materiałów węglowo-węglowych. Zastosowanie wysokiej czystościPowłoka SiCna tych elementach może skutecznie blokować opary krzemu i przedłużać żywotność komponentów.

Proces produkcji półprzewodnikowych płytek krzemowych jest złożony i obejmuje wiele etapów, przy czym głównymi etapami są wzrost kryształów, formowanie płytek krzemowych i wzrost epitaksjalny. Wzrost kryształów jest podstawowym procesem w produkcji płytek krzemowych. Na etapie przygotowania monokryształu określane są kluczowe parametry techniczne, takie jak średnica płytki, orientacja kryształu, rodzaj przewodności domieszkowej, zakres i rozkład rezystywności, stężenie węgla i tlenu oraz defekty sieci. Krzem monokrystaliczny zwykle wytwarza się metodą Czochralskiego (CZ) lub metodą Float Zone (FZ). Najczęściej stosowana jest metoda CZ, obejmująca około 85% monokryształów krzemu. 12-calowe płytki krzemowe można wytwarzać wyłącznie metodą CZ. Metoda ta polega na umieszczeniu materiału polikrzemowego o wysokiej czystości w tyglu kwarcowym, stopieniu go pod osłoną gazu obojętnego o wysokiej czystości, a następnie umieszczeniu w stopionym zarodku monokrystalicznego krzemu. Po wyrwaniu nasion kryształ wyrasta na monokrystaliczny krzemowy pręt.

Jak jestPowłoka TaCEwolucja z metodami PVT?

Nieodłączne właściwości SiC (brak fazy ciekłej Si:C = 1:1 pod ciśnieniem atmosferycznym) sprawiają, że wzrost monokryształów jest trudny. Obecnie do głównych metod należą fizyczny transport pary (PVT), chemiczne osadzanie z fazy gazowej w wysokiej temperaturze (HT-CVD) i epitaksja w fazie ciekłej (LPE). Spośród nich PVT jest najczęściej stosowany ze względu na mniejsze wymagania sprzętowe, prostszy proces, dobrą sterowalność i ugruntowane zastosowania przemysłowe.

Metoda PVT umożliwia kontrolę osiowych i promieniowych pól temperatur poprzez dostosowanie warunków izolacji termicznej na zewnątrz tygla grafitowego. Proszek SiC umieszcza się na cieplejszym dnie tygla grafitowego, natomiast kryształ zaszczepiający SiC umieszcza się na chłodniejszej górze. Odległość między proszkiem a nasionami jest zwykle kontrolowana do kilkudziesięciu milimetrów, aby uniknąć kontaktu rosnącego kryształu SiC z proszkiem. Stosując różne metody ogrzewania (ogrzewanie indukcyjne lub oporowe), proszek SiC podgrzewa się do temperatury 2200-2500°C, powodując sublimację pierwotnego proszku i rozkład na składniki gazowe, takie jak Si, Si2C i SiC2. Gazy te są transportowane do końca kryształów zaszczepiających poprzez konwekcję, gdzie SiC krystalizuje, osiągając wzrost monokryształu. Typowa szybkość wzrostu wynosi 0,2-0,4 mm/h, co wymaga 7-14 dni na wyhodowanie wlewka kryształu o średnicy 20-30 mm.

Obecność wtrąceń węglowych w kryształach SiC wyhodowanych w PVT jest znaczącym źródłem defektów, przyczyniającym się do powstawania mikrorurek i defektów polimorficznych, które pogarszają jakość kryształów SiC i ograniczają wydajność urządzeń opartych na SiC. Ogólnie rzecz biorąc, grafityzacja proszku SiC i front wzrostu bogaty w węgiel są uznanymi źródłami wtrąceń węgla: 1) Podczas rozkładu proszku SiC pary Si gromadzą się w fazie gazowej, podczas gdy C koncentruje się w fazie stałej, co prowadzi do silnego zwęglenia proszku późny wzrost. Gdy cząstki węgla w proszku pokonają grawitację i dyfundują do wlewka SiC, tworzą się wtrącenia węglowe. 2) W warunkach bogatych w Si nadmiar par Si reaguje ze ścianką tygla grafitowego, tworząc cienką warstwę SiC, która może łatwo rozłożyć się na cząstki węgla i składniki zawierające Si.

Problemy te można rozwiązać na dwa sposoby: 1) Filtrowanie cząstek węgla z silnie zwęglonego proszku SiC w późnej fazie wzrostu. 2) Zapobiegać korozji oparów Si na ściance tygla grafitowego. Wiele węglików, takich jak TaC, może pracować stabilnie w temperaturze powyżej 2000°C i jest odpornych na korozję chemiczną powodowaną przez kwasy, zasady, NH3, H2 i pary Si. Wraz ze wzrostem wymagań jakościowych płytek SiC, na skalę przemysłową bada się zastosowanie powłok TaC w technologii wzrostu kryształów SiC. Badania pokazują, że kryształy SiC przygotowane przy użyciu komponentów grafitowych pokrytych TaC w piecach wzrostowych PVT są czystsze, mają znacznie zmniejszoną gęstość defektów, co znacznie poprawia jakość kryształów.

a) PorowatyGrafit porowaty pokryty TaC lub TaC: Filtruje cząsteczki węgla, zapobiega dyfuzji do kryształu i zapewnia równomierny przepływ powietrza.

B)Pokryty TaCpierścienie: Izolują pary Si od ścianek tygla grafitowego, zapobiegając korozji ścian tygla przez pary Si.

C)Pokryty TaCprowadnice przepływu: Izolują pary Si od ścianki tygla grafitowego, kierując przepływ powietrza w stronę kryształu zaszczepiającego.

D)Pokryty TaCuchwyty kryształów zaszczepiających: Odizolować pary Si od górnej pokrywy tygla, aby zapobiec korozji górnej pokrywy przez pary Si.

Jak to się dziejePowłoka CVD SiCKorzyści z produkcji podłoża GaN?

Obecnie komercyjna produkcja podłoży GaN rozpoczyna się od utworzenia warstwy buforowej (lub warstwy maski) na podłożu szafirowym. Następnie stosuje się epitaksję z fazy gazowej wodorowej (HVPE) w celu szybkiego wzrostu warstwy GaN na tej warstwie buforowej, po czym następuje separacja i polerowanie w celu uzyskania wolnostojącego podłoża GaN. W jaki sposób HVPE działa w reaktorach kwarcowych pod ciśnieniem atmosferycznym, biorąc pod uwagę jego wymagania dotyczące reakcji chemicznych zarówno w niskiej, jak i wysokiej temperaturze?

W strefie niskiej temperatury (800-900°C) gazowy HCl reaguje z metalicznym Ga, tworząc gazowy GaCl.

W strefie wysokiej temperatury (1000-1100°C) gazowy GaCl reaguje z gazowym NH3, tworząc monokrystaliczną warstwę GaN.

Jakie są elementy konstrukcyjne sprzętu HVPE i w jaki sposób są one chronione przed korozją? Sprzęt HVPE może być poziomy lub pionowy i składać się z takich elementów, jak łódź galowa, korpus pieca, reaktor, układ konfiguracji gazu i układ wydechowy. Tace i pręty grafitowe mające kontakt z NH3 są podatne na korozję i można je zabezpieczyćPowłoka SiCaby zapobiec uszkodzeniom.

Jakie jest znaczenie technologii CVD w porównaniu z produkcją epitaksji GaN?

Dlaczego w dziedzinie urządzeń półprzewodnikowych konieczne jest konstruowanie warstw epitaksjalnych na niektórych podłożach płytkowych? Typowym przykładem są niebiesko-zielone diody LED, które wymagają warstw epitaksjalnych GaN na podłożach szafirowych. Sprzęt MOCVD ma kluczowe znaczenie w procesie produkcji epitaksji GaN, a wiodącymi dostawcami są AMEC, Aixtron i Veeco w Chinach.

Dlaczego podczas osadzania epitaksjalnego w systemach MOCVD nie można układać podłoży bezpośrednio na metalu lub prostych podłożach? Należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak kierunek przepływu gazu (poziomy, pionowy), temperatura, ciśnienie, wiązanie podłoża i zanieczyszczenie gruzem. Dlatego do przytrzymywania podłoży stosuje się susceptor z kieszeniami, a osadzanie epitaksjalne odbywa się w technologii CVD na podłożach umieszczonych w tych kieszeniach. Thesusceptor to podstawa grafitowa z powłoką SiC.

Jaka jest podstawowa reakcja chemiczna w epitaksji GaN i dlaczego jakość powłoki SiC ma kluczowe znaczenie? Główną reakcją są produkty uboczne NH3 + TMGa → GaN + (w temperaturze około 1050-1100°C). Jednakże NH3 rozkłada się termicznie w wysokich temperaturach, uwalniając wodór atomowy, który silnie reaguje z węglem w graficie. Ponieważ NH3/H2 nie reaguje z SiC w temperaturze 1100°C, całkowite kapsułkowanie i jakość powłoki SiC mają kluczowe znaczenie w procesie.

W dziedzinie produkcji epitaksji SiC, w jaki sposób stosuje się powłoki w głównych typach komór reakcyjnych?

SiC jest typowym materiałem politypowym o ponad 200 różnych strukturach krystalicznych, wśród których najczęściej spotykane są 3C-SiC, 4H-SiC i 6H-SiC. 4H-SiC to struktura krystaliczna stosowana głównie w urządzeniach głównego nurtu. Istotnym czynnikiem wpływającym na strukturę kryształu jest temperatura reakcji. Temperatury poniżej określonego progu mają tendencję do wytwarzania innych form krystalicznych. Optymalna temperatura reakcji wynosi od 1550 do 1650°C; temperatury poniżej 1550°C z większym prawdopodobieństwem dają 3C-SiC i inne struktury. Jednakże 3C-SiC jest powszechnie stosowany wPowłoki SiC, a temperatura reakcji około 1600°C jest bliska granicy 3C-SiC. Chociaż obecne zastosowanie powłok TaC jest ograniczone kwestiami kosztowymi, w dłuższej perspektywiePowłoki TaCoczekuje się, że będą stopniowo zastępować powłoki SiC w urządzeniach epitaksjalnych SiC.

Obecnie istnieją trzy główne typy systemów CVD do epitaksji SiC: planetarne gorące ściany, poziome gorące ściany i pionowe gorące ściany. Planetarny system CVD z gorącymi ściankami charakteryzuje się możliwością hodowli wielu płytek w jednej partii, co zapewnia wysoką wydajność produkcji. Poziomy system CVD z gorącymi ściankami zazwyczaj obejmuje system wzrostu składający się z jednej płytki, o dużych rozmiarach, napędzany obrotem pływaka gazowego, co zapewnia doskonałe parametry techniczne wewnątrz płytki. Pionowy system CVD z gorącymi ścianami charakteryzuje się głównie dużą prędkością obrotową wspomaganą przez zewnętrzną podstawę mechaniczną. Skutecznie zmniejsza grubość warstwy granicznej utrzymując niższe ciśnienie w komorze reakcyjnej, zwiększając w ten sposób szybkość wzrostu epitaksjalnego. Dodatkowo w konstrukcji komory brakuje górnej ściany, która mogłaby prowadzić do osadzania się cząstek SiC, minimalizując ryzyko odpadania cząstek i zapewniając nieodłączną zaletę w zakresie kontroli defektów.

Jakie jest zastosowanie obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze?CVD SiCw wyposażeniu pieców rurowych?

Urządzenia do pieców rurowych są szeroko stosowane w procesach takich jak utlenianie, dyfuzja, wzrost cienkowarstwowy, wyżarzanie i tworzenie stopów w przemyśle półprzewodników. Istnieją dwa główne typy: poziomy i pionowy. Obecnie w przemyśle układów scalonych wykorzystuje się głównie pionowe piece rurowe. W zależności od ciśnienia procesu i zastosowania, urządzenia pieców rurowych można podzielić na piece pod ciśnieniem atmosferycznym i piece niskociśnieniowe. Piece ciśnieniowe atmosferyczne stosuje się głównie do domieszkowania dyfuzyjnego cieplnego, utleniania cienkowarstwowego i wyżarzania w wysokiej temperaturze, natomiast piece niskociśnieniowe są przeznaczone do hodowli różnego rodzaju cienkich warstw (takich jak LPCVD i ALD). Struktury różnych urządzeń pieców rurowych są podobne i można je elastycznie konfigurować do wykonywania funkcji dyfuzji, utleniania, wyżarzania, LPCVD i ALD, w zależności od potrzeb. Rury ze spiekanego SiC o wysokiej czystości, łódeczki z płytek SiC i ścianki okładzinowe z SiC to istotne elementy wewnątrz komory reakcyjnej pieców rurowych. W zależności od wymagań klienta dodatkowoPowłoka SiCwarstwę można nałożyć na powierzchnię spiekanej ceramiki SiC w celu zwiększenia wydajności.

Dlaczego w dziedzinie fotowoltaicznej produkcji granulowanego krzemu?Powłoka SiCOdgrywa kluczową rolę?

Polikrzem, otrzymywany z krzemu metalurgicznego (lub krzemu przemysłowego), to materiał niemetaliczny oczyszczany w drodze szeregu reakcji fizycznych i chemicznych w celu uzyskania zawartości krzemu przekraczającej 99,9999% (6N). W dziedzinie fotowoltaiki polikrzem jest przetwarzany na płytki, ogniwa i moduły, które ostatecznie są wykorzystywane w fotowoltaicznych systemach wytwarzania energii, co czyni polikrzem kluczowym elementem wyższego szczebla w łańcuchu przemysłu fotowoltaicznego. Obecnie istnieją dwie drogi technologiczne produkcji polikrzemu: zmodyfikowany proces Siemensa (uzyskujący krzem w kształcie pręcika) oraz proces w silanowym złożu fluidalnym (uzyskujący krzem granulowany). W zmodyfikowanym procesie Siemensa SiHCl3 o wysokiej czystości jest redukowany za pomocą wodoru o wysokiej czystości na rdzeniu krzemowym o wysokiej czystości w temperaturze około 1150°C, co powoduje osadzanie się polikrzemu na rdzeniu krzemowym. W silanowym procesie ze złożem fluidalnym zazwyczaj wykorzystuje się SiH4 jako gaz źródłowy krzemu i H2 jako gaz nośny, z dodatkiem SiCl4 w celu termicznego rozkładu SiH4 w reaktorze ze złożem fluidalnym w temperaturze 600-800°C w celu wytworzenia granulowanego polikrzemu. Zmodyfikowany proces firmy Siemens pozostaje głównym kierunkiem produkcji polikrzemu ze względu na stosunkowo dojrzałą technologię produkcji. Jednakże w miarę jak firmy takie jak GCL-Poly i Tianhong Reike w dalszym ciągu udoskonalają technologię granulowanego krzemu, proces silanowego złoża fluidalnego może zyskać udział w rynku ze względu na niższy koszt i mniejszy ślad węglowy.

Kontrola czystości produktu była w przeszłości słabym punktem procesu ze złożem fluidalnym, co jest głównym powodem, dla którego nie prześcignął on procesu Siemensa pomimo znacznych korzyści kosztowych. Wykładzina służy jako główna konstrukcja i naczynie reakcyjne w procesie silanowego złoża fluidalnego, chroniąc metalową powłokę reaktora przed erozją i zużyciem przez gazy i materiały o wysokiej temperaturze, jednocześnie izolując i utrzymując temperaturę materiału. Ze względu na trudne warunki pracy i bezpośredni kontakt z ziarnistym krzemem, materiał wykładziny musi wykazywać wysoką czystość, odporność na zużycie, odporność na korozję i wysoką wytrzymałość. Typowe materiały obejmują grafit z aPowłoka SiC. Jednak w trakcie rzeczywistego użytkowania zdarzają się przypadki złuszczania/pękania powłok, które prowadzą do nadmiernej zawartości węgla w ziarnistym krzemie, co skutkuje krótką żywotnością okładzin grafitowych i koniecznością regularnej wymiany, co kwalifikuje je jako materiały eksploatacyjne. Wyzwania techniczne związane z materiałami wyłożenia złoża fluidalnego pokrytymi SiC i ich wysokie koszty utrudniają przyjęcie na rynek procesu silanowego ze złożem fluidalnym i należy się nimi zająć w celu szerszego zastosowania.

W jakich zastosowaniach wykorzystuje się powłokę grafitową pirolityczną?

Grafit pirolityczny to nowy materiał węglowy składający się z węglowodorów o wysokiej czystości, osadzanych chemicznie z fazy gazowej w piecu pod ciśnieniem od 1800°C do 2000°C, w wyniku czego powstaje węgiel pirolityczny o wysoce zorientowanym krystalograficznie. Charakteryzuje się dużą gęstością (2,20 g/cm3), wysoką czystością i anizotropowymi właściwościami termicznymi, elektrycznymi, magnetycznymi i mechanicznymi. Może utrzymać próżnię 10 mmHg nawet w temperaturze około 1800°C, co znajduje szerokie zastosowanie w takich dziedzinach, jak przemysł lotniczy, półprzewodniki, fotowoltaika i instrumenty analityczne.

W przypadku epitaksji z czerwono-żółtymi diodami LED i w niektórych scenariuszach specjalnych sufit MOCVD nie wymaga ochrony powłoką SiC i zamiast tego wykorzystuje powłokę z grafitu pirolitycznego.

Tygle do odparowania wiązką elektronów aluminium wymagają dużej gęstości, odporności na wysoką temperaturę, dobrej odporności na szok termiczny, wysokiej przewodności cieplnej, niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej i odporności na korozję powodowaną przez kwasy, zasady, sole i odczynniki organiczne. Ponieważ powłoka z grafitu pirolitycznego wykonana jest z tego samego materiału co tygiel grafitowy, może skutecznie wytrzymać cykliczne zmiany temperatur w wysokich i niskich temperaturach, wydłużając żywotność tygla grafitowego.**