Wat zijn de toepassingen van SiC- en TaC-coatings op het gebied van halfgeleiders?

Hoe wordt de halfgeleidersector in grote lijnen gedefinieerd en wat zijn de belangrijkste componenten ervan?

De halfgeleidersector verwijst in grote lijnen naar het gebruik van de eigenschappen van halfgeleidermaterialen om halfgeleider-geïntegreerde schakelingen (IC's), halfgeleiderdisplays (LCD/OLED-panelen), halfgeleiderverlichting (LED) en halfgeleiderenergieproducten (fotovoltaïsche zonne-energie) te produceren via gerelateerde halfgeleiderproductieprocessen. Geïntegreerde schakelingen zijn goed voor 80% van deze sector, dus in enge zin verwijst de halfgeleiderindustrie vaak specifiek naar de IC-industrie.

In wezen omvat de productie van halfgeleiders het creëren van circuitstructuren op een “substraat” en het verbinden van dit circuit met externe stroom- en controlesystemen om verschillende functionaliteiten te bereiken. Substraten, een term die in de industrie wordt gebruikt, kunnen worden gemaakt van halfgeleidermaterialen zoals Si of SiC, of ​​van niet-halfgeleidermaterialen zoals saffier of glas. Met uitzondering van de LED- en paneelindustrieën zijn siliciumwafels de meest gebruikte substraten. Epitaxie verwijst naar het proces waarbij een nieuw dunnefilmmateriaal op het substraat wordt gekweekt, waarbij veel voorkomende materialen Si, SiC, GaN, GaAs, enz. Zijn. Epitaxie biedt apparaatontwerpers aanzienlijke flexibiliteit om de prestaties van apparaten te optimaliseren door factoren als de dopingdikte te controleren, concentratie en profiel van de epitaxiale laag, onafhankelijk van het substraat. Deze controle wordt bereikt door doping tijdens het epitaxiale groeiproces.

Wat omvat het front-end-proces bij de productie van halfgeleiders?

Het front-end-proces is technisch gezien het meest complexe en kapitaalintensieve onderdeel van de productie van halfgeleiders, waarbij dezelfde procedures meerdere keren moeten worden herhaald, en wordt daarom een ​​‘cyclisch proces’ genoemd. Het omvat voornamelijk reinigen, oxidatie, fotolithografie, etsen, ionenimplantatie, diffusie, uitgloeien, dunnefilmafzetting en polijsten.

Hoe beschermen coatings apparatuur voor de productie van halfgeleiders?

Apparatuur voor de productie van halfgeleiders werkt in omgevingen met hoge temperaturen en zeer corrosieve omstandigheden en vereist een extreem hoge mate van reinheid. Het beschermen van de interne componenten van de apparatuur is dus een cruciale uitdaging. Coatingtechnologie verbetert en beschermt de basismaterialen door een dunne deklaag op hun oppervlak te vormen. Door deze aanpassing zijn de basismaterialen bestand tegen extremere en complexere productieomgevingen, waardoor hun stabiliteit bij hoge temperaturen, corrosieweerstand en oxidatieweerstand wordt verbeterd en hun levensduur wordt verlengd.

Waarom isSiC-coatingSignificant in het domein van de productie van siliciumsubstraten?

In siliciumkristalgroeiovens kan siliciumdamp met een hoge temperatuur rond de 1500°C de componenten van grafiet of koolstof-koolstof aanzienlijk aantasten. Het toepassen van een hoge zuiverheidSiC-coatingop deze componenten kan siliciumdamp effectief blokkeren en de levensduur van de componenten verlengen.

Het productieproces van halfgeleider-siliciumwafels is complex en omvat talrijke stappen, waarbij kristalgroei, siliciumwafelvorming en epitaxiale groei de belangrijkste fasen zijn. Kristalgroei is het kernproces bij de productie van siliciumwafels. Tijdens de voorbereidingsfase van één kristal worden cruciale technische parameters zoals waferdiameter, kristaloriëntatie, doteringsgeleidingstype, weerstandsbereik en -verdeling, koolstof- en zuurstofconcentratie en roosterdefecten bepaald. Eénkristallijn silicium wordt doorgaans bereid met behulp van de Czochralski (CZ) -methode of de Float Zone (FZ) -methode. De CZ-methode is de meest gebruikte methode, goed voor ongeveer 85% van de silicium-monokristallen. Siliciumwafels van 12 inch kunnen alleen volgens de CZ-methode worden geproduceerd. Deze methode omvat het plaatsen van zeer zuiver polysiliciummateriaal in een kwartskroes, het smelten ervan onder de bescherming van een hoogzuiver inert gas en het vervolgens inbrengen van een enkelkristal siliciumzaadje in de smelt. Terwijl het zaadje omhoog wordt getrokken, groeit het kristal uit tot een monokristallijne siliciumstaaf.

Hoe is hetTaC-coatingEvolueren met PVT-methoden?

De inherente kenmerken van SiC (gebrek aan een Si:C=1:1 vloeibare fase bij atmosferische druk) maken de groei van één kristal een uitdaging. Momenteel omvatten reguliere methoden onder meer Physical Vapour Transport (PVT), High-Temperature Chemical Vapour Deposition (HT-CVD) en Liquid Phase Epitaxy (LPE). Hiervan wordt PVT het meest toegepast vanwege de lagere apparatuurvereisten, het eenvoudigere proces, de sterke controleerbaarheid en gevestigde industriële toepassingen.

De PVT-methode maakt controle over axiale en radiale temperatuurvelden mogelijk door de thermische isolatieomstandigheden buiten de grafietkroes aan te passen. SiC-poeder wordt op de hetere bodem van de grafietkroes geplaatst, terwijl het SiC-entkristal aan de koelere bovenkant wordt gefixeerd. De afstand tussen het poeder en het zaad wordt doorgaans beperkt tot enkele tientallen millimeters om contact tussen het groeiende SiC-kristal en het poeder te vermijden. Met behulp van verschillende verwarmingsmethoden (inductie- of weerstandsverwarming) wordt het SiC-poeder verwarmd tot 2200-2500 °C, waardoor het oorspronkelijke poeder sublimeert en uiteenvalt in gasvormige componenten zoals Si, Si2C en SiC2. Deze gassen worden door convectie naar het entkristaluiteinde getransporteerd, waar SiC kristalliseert, waardoor de groei van één kristal wordt bereikt. De typische groeisnelheid is 0,2-0,4 mm/uur, waardoor er 7-14 dagen nodig zijn om een ​​kristalstaaf van 20-30 mm te laten groeien.

De aanwezigheid van koolstofinsluitsels in met PVT gekweekte SiC-kristallen is een belangrijke bron van defecten, die bijdragen aan microbuisjes en polymorfe defecten, die de kwaliteit van SiC-kristallen aantasten en de prestaties van op SiC gebaseerde apparaten beperken. Over het algemeen zijn de grafitisering van SiC-poeder en een koolstofrijk groeifront erkende bronnen van koolstofinsluitingen: 1) Tijdens de ontleding van SiC-poeder hoopt Si-damp zich op in de gasfase, terwijl C zich concentreert in de vaste fase, wat leidt tot ernstige carbonisatie van het poeder laat in de groei. Zodra koolstofdeeltjes in het poeder de zwaartekracht overwinnen en in de SiC-staaf diffunderen, vormen zich koolstofinsluitsels. 2) Onder Si-rijke omstandigheden reageert overtollige Si-damp met de grafietkroeswand, waardoor een dunne SiC-laag ontstaat die gemakkelijk kan ontleden in koolstofdeeltjes en Si-bevattende componenten.

Twee benaderingen kunnen deze problemen aanpakken: 1) Filter koolstofdeeltjes uit zwaar verkoold SiC-poeder laat in de groei. 2) Voorkom dat Si-damp de wand van de grafietkroes aantast. Veel carbiden, zoals TaC, kunnen stabiel werken boven 2000°C en zijn bestand tegen chemische corrosie door zuren, logen, NH3, H2 en Si-damp. Met de toenemende kwaliteitseisen voor SiC-wafels wordt de toepassing van TaC-coatings in de SiC-kristalgroeitechnologie industrieel onderzocht. Studies tonen aan dat SiC-kristallen die zijn bereid met TaC-gecoate grafietcomponenten in PVT-groeiovens zuiverder zijn, met aanzienlijk lagere defectdichtheden, waardoor de kristalkwaliteit aanzienlijk wordt verbeterd.

a) PoreusTaC of TaC-gecoat poreus grafiet: Filtert koolstofdeeltjes, voorkomt diffusie in het kristal en zorgt voor een uniforme luchtstroom.

B)TaC-gecoatringen: Isoleer Si-damp van de grafietkroeswand, waardoor corrosie van de kroeswand door Si-damp wordt voorkomen.

C)TaC-gecoatstroomgeleiders: Isoleer Si-damp van de grafietkroeswand terwijl u de luchtstroom naar het entkristal richt.

D)TaC-gecoatentkristalhouders: Isoleer Si-damp van de bovenafdekking van de smeltkroes om corrosie van de bovenafdekking door Si-damp te voorkomen.

Hoe werktCVD SiC-coatingVoordeel bij de productie van GaN-substraten?

Momenteel begint de commerciële productie van GaN-substraten met het creëren van een bufferlaag (of maskerlaag) op een saffiersubstraat. Vervolgens wordt waterstofdampfase-epitaxie (HVPE) gebruikt om snel een GaN-film op deze bufferlaag te laten groeien, gevolgd door scheiding en polijsten om een ​​vrijstaand GaN-substraat te verkrijgen. Hoe werkt HVPE binnen kwartsreactoren bij atmosferische druk, gezien de vereiste voor chemische reacties bij zowel lage als hoge temperaturen?

In de lagetemperatuurzone (800-900°C) reageert gasvormig HCl met metallisch Ga om gasvormig GaCl te produceren.

In de hogetemperatuurzone (1000-1100°C) reageert gasvormig GaCl met gasvormig NH3 om een ​​GaN-monokristallijne film te vormen.

Wat zijn de structurele componenten van HVPE-apparatuur en hoe worden ze beschermd tegen corrosie? HVPE-apparatuur kan horizontaal of verticaal zijn en bestaat uit componenten zoals de galliumboot, het ovenlichaam, de reactor, het gasconfiguratiesysteem en het uitlaatsysteem. Grafietplaten en -staven, die in contact komen met NH3, zijn gevoelig voor corrosie en kunnen worden beschermd met eenSiC-coatingom schade te voorkomen.

Wat is het belang van CVD-technologie ten opzichte van de productie van GaN-epitaxie?

Waarom is het op het gebied van halfgeleiderapparaten nodig om epitaxiale lagen op bepaalde wafelsubstraten te construeren? Een typisch voorbeeld zijn blauwgroene LED's, waarvoor GaN-epitaxiale lagen op saffiersubstraten nodig zijn. MOCVD-apparatuur is van cruciaal belang in het GaN-epitaxieproductieproces, waarbij de belangrijkste leveranciers AMEC, Aixtron en Veeco in China zijn.

Waarom kunnen substraten tijdens epitaxiale afzetting in MOCVD-systemen niet rechtstreeks op metaal of eenvoudige bases worden geplaatst? Er moet rekening worden gehouden met factoren zoals de richting van de gasstroom (horizontaal, verticaal), temperatuur, druk, substraatfixatie en verontreiniging door vuil. Daarom wordt een susceptor met zakken gebruikt om de substraten vast te houden, en wordt epitaxiale afzetting uitgevoerd met behulp van CVD-technologie op substraten die in deze zakken worden geplaatst. Desusceptor is een grafietbasis met een SiC-coating.

Wat is de belangrijkste chemische reactie bij GaN-epitaxie en waarom is de kwaliteit van de SiC-coating cruciaal? De kernreactie is NH3 + TMGa → GaN + bijproducten (bij ongeveer 1050-1100°C). NH3 ontleedt echter thermisch bij hoge temperaturen, waarbij atomair waterstof vrijkomt, dat sterk reageert met de koolstof in grafiet. Omdat NH3/H2 bij 1100°C niet reageert met SiC, zijn de volledige inkapseling en kwaliteit van de SiC-coating cruciaal voor het proces.

Hoe worden coatings op het gebied van de productie van SiC-epitaxie toegepast in reguliere typen reactiekamers?

SiC is een typisch polytypisch materiaal met meer dan 200 verschillende kristalstructuren, waarvan 3C-SiC, 4H-SiC en 6H-SiC de meest voorkomende zijn. De 4H-SiC is de kristalstructuur die voornamelijk wordt gebruikt in reguliere apparaten. Een belangrijke factor die de kristalstructuur beïnvloedt, is de reactietemperatuur. Temperaturen onder een bepaalde drempel hebben de neiging andere kristalvormen te produceren. De optimale reactietemperatuur ligt tussen 1550 en 1650°C; bij temperaturen onder 1550°C is de kans groter dat 3C-SiC en andere structuren ontstaan. 3C-SiC wordt echter vaak gebruiktSiC-coatingsen een reactietemperatuur van ongeveer 1600°C ligt dicht bij de limiet van 3C-SiC. Hoewel de huidige toepassing van TaC-coatings beperkt wordt door kostenkwesties, zal op de lange termijnTaC-coatingsEr wordt verwacht dat zij geleidelijk de SiC-coatings in SiC-epitaxiale apparatuur zullen vervangen.

Momenteel zijn er drie hoofdtypen CVD-systemen voor SiC-epitaxie: planetaire hot-wall, horizontale hot-wall en verticale hot-wall. Het planetaire hot-wall CVD-systeem wordt gekenmerkt door zijn vermogen om meerdere wafers in één batch te laten groeien, wat resulteert in een hoge productie-efficiëntie. Het horizontale CVD-systeem met hete wand omvat doorgaans een groeisysteem van grote omvang met één wafer, aangedreven door rotatie van de gasvlotter, wat uitstekende specificaties binnen de wafer mogelijk maakt. Het verticale CVD-systeem met warme wand beschikt voornamelijk over rotatie op hoge snelheid, ondersteund door een externe mechanische basis. Het vermindert effectief de dikte van de grenslaag door een lagere druk in de reactiekamer te handhaven, waardoor de epitaxiale groeisnelheid wordt verbeterd. Bovendien mist het kamerontwerp een bovenwand die zou kunnen leiden tot de afzetting van SiC-deeltjes, waardoor het risico op deeltjesafval wordt geminimaliseerd en een inherent voordeel wordt geboden bij de beheersing van defecten.

Wat zijn de toepassingen van thermische verwerking bij hoge temperaturen?CVD SiCin buisovenapparatuur?

Buisovenapparatuur wordt veel gebruikt bij processen zoals oxidatie, diffusie, dunnefilmgroei, gloeien en legering in de halfgeleiderindustrie. Er zijn twee hoofdtypen: horizontaal en verticaal. Momenteel maakt de IC-industrie voornamelijk gebruik van verticale buisovens. Afhankelijk van de procesdruk en toepassing kan buisovenapparatuur worden onderverdeeld in atmosferische drukovens en lagedrukovens. Ovens onder atmosferische druk worden voornamelijk gebruikt voor thermische diffusiedotering, oxidatie van dunne films en gloeien bij hoge temperaturen, terwijl lagedrukovens zijn ontworpen voor de groei van verschillende soorten dunne films (zoals LPCVD en ALD). De structuren van verschillende buisovenapparatuur zijn vergelijkbaar en ze kunnen flexibel worden geconfigureerd om indien nodig diffusie-, oxidatie-, uitgloei-, LPCVD- en ALD-functies uit te voeren. Gesinterde SiC-buizen met hoge zuiverheid, SiC-wafelboten en SiC-bekledingswanden zijn essentiële componenten in de reactiekamer van buisovenapparatuur. Afhankelijk van de wensen van de klant, een extraSiC-coatinglaag kan worden aangebracht op het oppervlak van gesinterd SiC-keramiek om de prestaties te verbeteren.

Op het gebied van fotovoltaïsche productie van korrelvormig silicium: waarom wel?SiC-coatingEen centrale rol spelen?

Polysilicium, afgeleid van silicium van metallurgische kwaliteit (of industrieel silicium), is een niet-metaalachtig materiaal dat wordt gezuiverd door een reeks fysische en chemische reacties om een ​​siliciumgehalte van meer dan 99,9999% (6N) te bereiken. Op fotovoltaïsch gebied wordt polysilicium verwerkt tot wafers, cellen en modules, die uiteindelijk worden gebruikt in fotovoltaïsche energieopwekkingssystemen, waardoor polysilicium een ​​cruciaal onderdeel van de fotovoltaïsche industrieketen wordt. Momenteel zijn er twee technologische routes voor de productie van polysilicium: het gemodificeerde Siemens-proces (dat staafvormig silicium oplevert) en het silaan-wervelbedproces (dat korrelvormig silicium oplevert). In het gemodificeerde Siemens-proces wordt hoogzuiver SiHCl3 gereduceerd door zeer zuiver waterstof op een hoogzuivere siliciumkern bij ongeveer 1150°C, wat resulteert in afzetting van polysilicium op de siliciumkern. Het silaan-wervelbedproces maakt doorgaans gebruik van SiH4 als het siliciumbrongas en H2 als het dragergas, met de toevoeging van SiCl4 om SiH4 thermisch te ontleden in een wervelbedreactor bij 600-800°C om korrelvormig polysilicium te produceren. Het aangepaste Siemens-proces blijft de reguliere productieroute voor polysilicium vanwege de relatief volwassen productietechnologie. Naarmate bedrijven als GCL-Poly en Tianhong Reike echter de granulaire siliciumtechnologie blijven ontwikkelen, kan het silaanwervelbedproces marktaandeel winnen vanwege de lagere kosten en de kleinere ecologische voetafdruk.

Controle op de productzuiverheid is van oudsher een zwak punt van het wervelbedproces, wat een van de voornaamste redenen is waarom het het Siemens-proces ondanks de aanzienlijke kostenvoordelen niet heeft overtroffen. De bekleding dient als de hoofdstructuur en het reactievat van het silaanwervelbedproces en beschermt de metalen schaal van de reactor tegen erosie en slijtage door gassen en materialen met hoge temperaturen, terwijl het materiaal wordt geïsoleerd en op temperatuur wordt gehouden. Vanwege de zware werkomstandigheden en het directe contact met korrelig silicium moet het voeringmateriaal een hoge zuiverheid, slijtvastheid, corrosieweerstand en hoge sterkte vertonen. Veel voorkomende materialen zijn onder meer grafiet met eenSiC-coating. Bij daadwerkelijk gebruik komt het echter voor dat de coating afbladdert/scheurt, wat leidt tot een overmatig koolstofgehalte in korrelig silicium, wat resulteert in een korte levensduur van grafietvoeringen en de noodzaak van regelmatige vervanging, waardoor deze als verbruiksartikelen worden geclassificeerd. De technische uitdagingen met betrekking tot de met SiC gecoate materialen voor wervelbedvoeringen en de hoge kosten ervan belemmeren de marktacceptatie van het silaanwervelbedproces en moeten worden aangepakt voor een bredere toepassing.

In welke toepassingen wordt pyrolytische grafietcoating gebruikt?

Pyrolytisch grafiet is een nieuw koolstofmateriaal, bestaande uit zeer zuivere koolwaterstoffen die chemisch worden opgedampt bij een ovendruk tussen 1800°C en 2000°C, wat resulteert in zeer kristallografisch georiënteerde pyrolytische koolstof. Het beschikt over een hoge dichtheid (2,20 g/cm³), hoge zuiverheid en anisotrope thermische, elektrische, magnetische en mechanische eigenschappen. Het kan een vacuüm van 10 mmHg handhaven, zelfs bij ongeveer 1800 ° C, en vindt daarmee een breed toepassingspotentieel op gebieden als de lucht- en ruimtevaart, halfgeleiders, fotovoltaïsche zonne-energie en analytische instrumenten.

In rood-gele LED-epitaxie en bepaalde speciale scenario's heeft het MOCVD-plafond geen SiC-coatingbescherming nodig en wordt in plaats daarvan een pyrolytische grafietcoatingoplossing gebruikt.

Kroezen voor aluminiumverdamping met elektronenstralen vereisen een hoge dichtheid, hoge temperatuurbestendigheid, goede thermische schokbestendigheid, hoge thermische geleidbaarheid, lage thermische uitzettingscoëfficiënt en weerstand tegen corrosie door zuren, logen, zouten en organische reagentia. Omdat de pyrolytische grafietcoating uit hetzelfde materiaal bestaat als de grafietkroes, is deze effectief bestand tegen cycli van hoge en lage temperaturen, waardoor de levensduur van de grafietkroes wordt verlengd.**