Каковы применения покрытий SiC и TaC в области полупроводников?

Как в целом определяется полупроводниковый сектор и каковы его основные компоненты?

Сектор полупроводников в широком смысле относится к использованию свойств полупроводниковых материалов для производства полупроводниковых интегральных схем (ИС), полупроводниковых дисплеев (ЖК-/OLED-панелей), полупроводникового освещения (СИД) и полупроводниковых энергетических продуктов (фотогальваники) посредством соответствующих процессов производства полупроводников. На долю интегральных микросхем приходится до 80% этого сектора, поэтому, строго говоря, полупроводниковая промышленность часто относится именно к отрасли ИС.

По сути, производство полупроводников включает в себя создание схемных структур на «подложке» и подключение этой схемы к внешним системам питания и управления для достижения различных функциональных возможностей. Подложки (термин, используемый в промышленности) могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов, таких как Si или SiC, или из неполупроводниковых материалов, таких как сапфир или стекло. За исключением производства светодиодов и панелей, кремниевые пластины являются наиболее часто используемыми подложками. Эпитаксия относится к процессу выращивания нового тонкопленочного материала на подложке, причем распространенными материалами являются Si, SiC, GaN, GaAs и т. д. Эпитаксия предоставляет разработчикам устройств значительную гибкость в оптимизации производительности устройств путем контроля таких факторов, как толщина легирования, концентрация и профиль эпитаксиального слоя не зависят от подложки. Этот контроль достигается за счет легирования в процессе эпитаксиального роста.

Что включает в себя предварительный процесс в производстве полупроводников?

Предварительный процесс — наиболее технически сложная и капиталоемкая часть производства полупроводников, требующая многократного повторения одних и тех же процедур, поэтому она называется «циклическим процессом». В первую очередь это включает очистку, окисление, фотолитографию, травление, ионную имплантацию, диффузию, отжиг, осаждение тонких пленок и полировку.

Как покрытия защищают оборудование для производства полупроводников?

Оборудование для производства полупроводников работает в высокотемпературных, высокоагрессивных средах и требует чрезвычайно высокой чистоты. Таким образом, защита внутренних компонентов оборудования является важнейшей задачей. Технология нанесения покрытий улучшает и защищает основные материалы, образуя на их поверхности тонкий покровный слой. Такая адаптация позволяет базовым материалам выдерживать более экстремальные и сложные производственные условия, улучшая их высокотемпературную стабильность, коррозионную стойкость, стойкость к окислению и продлевая срок их службы.

ПочемуКарбидно-карбидное покрытиеИмеет ли значение в сфере производства кремниевых подложек?

В печах для выращивания кристаллов кремния высокотемпературные пары кремния (около 1500°C) могут значительно разъедать компоненты графита или углеродно-углеродного материала. Применение высокочистогоSiC-покрытиена этих компонентах может эффективно блокировать пары кремния и продлить срок службы компонентов.

Процесс производства полупроводниковых кремниевых пластин сложен и включает множество этапов, основными этапами которых являются рост кристаллов, формирование кремниевых пластин и эпитаксиальный рост. Рост кристаллов является основным процессом производства кремниевых пластин. На этапе подготовки монокристалла определяются важные технические параметры, такие как диаметр пластины, ориентация кристалла, тип легирующей проводимости, диапазон и распределение удельного сопротивления, концентрация углерода и кислорода, а также дефекты решетки. Монокристаллический кремний обычно получают либо методом Чохральского (CZ), либо методом зоны плавания (FZ). Метод CZ является наиболее распространенным, на него приходится около 85% монокристаллов кремния. 12-дюймовые кремниевые пластины можно производить только методом CZ. Этот метод предполагает помещение поликремниевого материала высокой чистоты в кварцевый тигель, его плавление под защитой инертного газа высокой чистоты, а затем введение в расплав затравки монокристаллического кремния. Когда затравку вытягивают вверх, кристалл превращается в монокристаллический кремниевый стержень.

Как делаTaC-покрытиеРазвиваетесь с помощью методов PVT?

Собственные характеристики SiC (отсутствие жидкой фазы Si:C=1:1 при атмосферном давлении) затрудняют рост монокристаллов. В настоящее время основные методы включают физический перенос паров (PVT), высокотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (HT-CVD) и жидкофазную эпитаксию (LPE). Среди них PVT получил наиболее широкое распространение из-за меньших требований к оборудованию, более простого процесса, высокой управляемости и широко распространенного промышленного применения.

Метод PVT позволяет контролировать осевые и радиальные температурные поля путем регулирования условий теплоизоляции снаружи графитового тигля. Порошок SiC помещается в более горячую нижнюю часть графитового тигля, а затравочный кристалл SiC фиксируется в более холодной верхней части. Расстояние между порошком и затравкой обычно регулируют до нескольких десятков миллиметров, чтобы избежать контакта растущего кристалла SiC с порошком. Используя различные методы нагрева (индукционный или резистивный нагрев), порошок SiC нагревают до 2200-2500°C, в результате чего исходный порошок сублимируется и разлагается на газообразные компоненты, такие как Si, Si2C и SiC2. Эти газы переносятся конвекцией к концу затравочного кристалла, где SiC кристаллизуется, достигая роста монокристалла. Типичная скорость роста составляет 0,2–0,4 мм/ч. Для выращивания кристаллического слитка размером 20–30 мм требуется 7–14 дней.

Наличие углеродных включений в кристаллах SiC, выращенных методом PVT, является существенным источником дефектов, способствующих образованию микротрубок и полиморфных дефектов, которые ухудшают качество кристаллов SiC и ограничивают производительность устройств на основе SiC. Как правило, графитизация порошка SiC и богатый углеродом фронт роста являются признанными источниками углеродных включений: 1) Во время разложения порошка SiC пары Si накапливаются в газовой фазе, а C концентрируется в твердой фазе, что приводит к сильной карбонизации порошка. поздно в росте. Когда частицы углерода в порошке преодолевают силу тяжести и диффундируют в слиток SiC, образуются углеродные включения. 2) В условиях богатого кремнием избыток паров кремния вступает в реакцию со стенками графитового тигля, образуя тонкий слой SiC, который может легко разлагаться на частицы углерода и Si-содержащие компоненты.

Два подхода могут решить эти проблемы: 1) Отфильтровать углеродные частицы из сильно карбонизированного порошка SiC на поздних стадиях роста. 2) Предотвратить коррозию парами Si стенок графитового тигля. Многие карбиды, например TaC, могут стабильно работать при температуре выше 2000°C и устойчивы к химической коррозии под действием кислот, щелочей, NH3, H2 и паров Si. С ростом требований к качеству пластин SiC применение покрытий TaC в технологии выращивания кристаллов SiC исследуется в промышленности. Исследования показывают, что кристаллы SiC, полученные с использованием графитовых компонентов с покрытием TaC в печах для выращивания PVT, являются более чистыми, со значительно сниженной плотностью дефектов, что существенно улучшает качество кристаллов.

а) пористыйПористый графит TaC или TaC с покрытием: Фильтрует частицы углерода, предотвращает диффузию в кристалл и обеспечивает равномерный поток воздуха.

б)TaC-покрытиеКольца: изолируют пары Si от стенок графитового тигля, предотвращая коррозию стенок тигля парами Si.

в)TaC-покрытиенаправляющие потока: изолируют пары Si от стенок графитового тигля, направляя поток воздуха к затравочному кристаллу.

г)TaC-покрытиеДержатели затравочных кристаллов: изолируйте пары Si от верхней крышки тигля, чтобы предотвратить коррозию верхней крышки парами Si.

КакCVD-покрытие SiCВыгода от производства подложек GaN?

В настоящее время промышленное производство подложек GaN начинается с создания буферного слоя (или слоя маски) на сапфировой подложке. Затем используется водородная парофазная эпитаксия (HVPE) для быстрого выращивания пленки GaN на этом буферном слое с последующим разделением и полировкой для получения отдельной подложки GaN. Как HVPE работает в кварцевых реакторах при атмосферном давлении, учитывая его потребность в проведении как низкотемпературных, так и высокотемпературных химических реакций?

В зоне низких температур (800-900°С) газообразная HCl реагирует с металлическим Ga с образованием газообразного GaCl.

В зоне высоких температур (1000-1100°С) газообразный GaCl реагирует с газообразным NH3 с образованием монокристаллической пленки GaN.

Каковы конструктивные элементы оборудования HVPE и как они защищены от коррозии? Оборудование HVPE может быть горизонтальным или вертикальным и состоять из таких компонентов, как галлиевая лодочка, корпус печи, реактор, система газовой конфигурации и выхлопная система. Графитовые лотки и стержни, контактирующие с NH3, подвержены коррозии и могут быть защищены с помощьюSiC-покрытиечтобы предотвратить повреждение.

Какова важность технологии CVD по сравнению с производством эпитаксии GaN?

Почему в области полупроводниковых приборов необходимо создавать эпитаксиальные слои на определенных подложках? Типичный пример — сине-зеленые светодиоды, для которых требуются эпитаксиальные слои GaN на сапфировых подложках. Оборудование MOCVD имеет жизненно важное значение в процессе производства эпитаксии GaN, ведущими поставщиками которого являются AMEC, Aixtron и Veeco в Китае.

Почему при эпитаксиальном осаждении в системах MOCVD нельзя размещать подложки непосредственно на металлических или простых основаниях? Необходимо учитывать такие факторы, как направление потока газа (горизонтальное, вертикальное), температура, давление, фиксация подложки и загрязнение мусором. Поэтому для удержания подложек используется токоприемник с карманами, а эпитаксиальное осаждение осуществляется с помощью CVD-технологии на подложки, помещенные в эти карманы.Суцептор представляет собой графитовую основу с покрытием SiC..

Какова основная химическая реакция эпитаксии GaN и почему качество покрытия SiC имеет решающее значение? Основная реакция – NH3 + TMGa → GaN + побочные продукты (примерно 1050–1100°C). Однако NH3 термически разлагается при высоких температурах с выделением атомарного водорода, который сильно реагирует с углеродом в графите. Поскольку NH3/H2 не реагирует с SiC при 1100°C, полная инкапсуляция и качество покрытия SiC имеют решающее значение для процесса.

Как в области производства эпитаксии SiC наносятся покрытия в реакционных камерах основных типов?

SiC — типичный политипный материал, имеющий более 200 различных кристаллических структур, среди которых наиболее распространены 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC. 4H-SiC — это кристаллическая структура, преимущественно используемая в основных устройствах. Существенным фактором, влияющим на кристаллическую структуру, является температура реакции. Температуры ниже определенного порога имеют тенденцию образовывать другие кристаллические формы. Оптимальная температура реакции составляет от 1550 до 1650°С; при температурах ниже 1550°C с большей вероятностью образуются 3C-SiC и другие структуры. Однако 3C-SiC обычно используется вSiC-покрытия, а температура реакции около 1600°C близка к пределу 3C-SiC. Хотя в настоящее время применение покрытий TaC ограничено проблемами стоимости, в долгосрочной перспективеTaC-покрытияОжидается, что они постепенно заменят покрытия SiC в эпитаксиальном оборудовании SiC.

В настоящее время существует три основных типа CVD-систем для эпитаксии SiC: планетарная с горячей стенкой, горизонтальная с горячей стенкой и вертикальная с горячей стенкой. Планетарная система CVD с горячими стенками отличается способностью выращивать несколько пластин за одну партию, что обеспечивает высокую эффективность производства. Горизонтальная система CVD с горячими стенками обычно включает в себя систему выращивания большого размера, состоящую из одной пластины, приводимую в движение вращением газового поплавка, что обеспечивает превосходные характеристики внутри пластины. Вертикальная система CVD с горячими стенками в основном отличается высокоскоростным вращением, которому способствует внешнее механическое основание. Он эффективно уменьшает толщину пограничного слоя за счет поддержания более низкого давления в реакционной камере, тем самым увеличивая скорость эпитаксиального роста. Кроме того, в конструкции камеры отсутствует верхняя стенка, которая могла бы привести к осаждению частиц SiC, что сводит к минимуму риск их падения и обеспечивает существенное преимущество в борьбе с дефектами.

Каково применение высокотемпературной термической обработки?CVD-карбид кремнияв оборудовании трубчатых печей?

Оборудование для трубчатых печей широко используется в таких процессах, как окисление, диффузия, выращивание тонких пленок, отжиг и легирование в полупроводниковой промышленности. Существует два основных типа: горизонтальные и вертикальные. В настоящее время в промышленности ИС преимущественно используются вертикальные трубчатые печи. В зависимости от технологического давления и применения оборудование трубчатых печей можно разделить на печи атмосферного давления и печи низкого давления. Печи при атмосферном давлении в основном используются для термодиффузионного легирования, тонкопленочного окисления и высокотемпературного отжига, тогда как печи низкого давления предназначены для выращивания различных типов тонких пленок (таких как LPCVD и ALD). Структуры различного оборудования трубчатых печей схожи, и их можно гибко настроить для выполнения функций диффузии, окисления, отжига, LPCVD и ALD по мере необходимости. Трубы из спеченного карбида кремния высокой чистоты, лодочки из кремниевых пластин и стенки футеровки из карбида кремния являются важными компонентами внутри реакционной камеры оборудования трубчатых печей. В зависимости от требований заказчика возможна дополнительнаяSiC-покрытиеЭтот слой может быть нанесен на поверхность спеченной SiC-керамики для повышения производительности.

Почему в области производства фотоэлектрического гранулированного кремнияКарбидно-карбидное покрытиеИграете решающую роль?

Поликремний, полученный из кремния металлургического качества (или промышленного кремния), представляет собой неметаллический материал, очищенный с помощью серии физических и химических реакций для достижения содержания кремния, превышающего 99,9999% (6N). В фотоэлектрической области поликремний перерабатывается в пластины, элементы и модули, которые в конечном итоге используются в фотоэлектрических системах производства электроэнергии, что делает поликремний важнейшим компонентом цепочки фотоэлектрической промышленности. В настоящее время существует два технологических маршрута производства поликремния: модифицированный процесс Сименса (с получением стержнеобразного кремния) и процесс с силановым псевдоожиженным слоем (с получением гранулированного кремния). В модифицированном процессе Сименса SiHCl3 высокой чистоты восстанавливается водородом высокой чистоты на кремниевом сердечнике высокой чистоты при температуре около 1150°C, что приводит к осаждению поликремния на кремниевом сердечнике. В процессе силанового псевдоожиженного слоя обычно используется SiH4 в качестве исходного газа кремния и H2 в качестве газа-носителя с добавлением SiCl4 для термического разложения SiH4 в реакторе с псевдоожиженным слоем при 600-800°C с получением гранулированного поликремния. Модифицированный процесс Siemens остается основным маршрутом производства поликремния из-за его относительно зрелой технологии производства. Однако, поскольку такие компании, как GCL-Poly и Tianhong Reike, продолжают развивать технологию гранулированного кремния, процесс с использованием силанового псевдоожиженного слоя может завоевать долю рынка благодаря более низкой стоимости и уменьшению выбросов углекислого газа.

Контроль чистоты продукта исторически был слабым местом процесса с псевдоожиженным слоем, что является основной причиной того, что он не превзошел процесс Siemens, несмотря на его значительные преимущества в стоимости. Футеровка служит основной конструкцией и реакционным сосудом процесса силанового псевдоожиженного слоя, защищая металлический корпус реактора от эрозии и износа под воздействием высокотемпературных газов и материалов, одновременно изолируя и поддерживая температуру материала. Из-за тяжелых условий работы и прямого контакта с гранулированным кремнием материал футеровки должен обладать высокой чистотой, износостойкостью, коррозионной стойкостью и высокой прочностью. Обычные материалы включают графит сSiC-покрытие. Однако в реальной эксплуатации наблюдаются случаи отслаивания/растрескивания покрытия, которые приводят к избыточному содержанию углерода в гранулированном кремнии, что приводит к короткому сроку службы графитовых накладок и необходимости регулярной замены, относя их к расходным материалам. Технические проблемы, связанные с материалами облицовки псевдоожиженного слоя с покрытием SiC, и их высокая стоимость препятствуют внедрению на рынке процесса силанового псевдоожиженного слоя и должны быть решены для более широкого применения.

В каких случаях используется пиролитическое графитовое покрытие?

Пиролитический графит — это новый углеродный материал, состоящий из углеводородов высокой чистоты, химически осажденных из паровой фазы при давлении в печи от 1800°C до 2000°C, в результате чего получается пиролитический углерод с высокой кристаллографической ориентацией. Он отличается высокой плотностью (2,20 г/см³), высокой чистотой и анизотропными термическими, электрическими, магнитными и механическими свойствами. Он может поддерживать вакуум 10 мм рт.ст. даже при температуре примерно 1800°C, что находит широкий потенциал применения в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, полупроводники, фотоэлектрические устройства и аналитические приборы.

При красно-желтой светодиодной эпитаксии и в некоторых особых сценариях потолок MOCVD не требует защиты покрытием SiC, вместо этого используется раствор пиролитического графитового покрытия.

Тигли для электронно-лучевого испарения алюминия требуют высокой плотности, жаростойкости, хорошей термостойкости, высокой теплопроводности, низкого коэффициента термического расширения, устойчивости к коррозии под действием кислот, щелочей, солей и органических реагентов. Поскольку пиролитическое графитовое покрытие изготовлено из того же материала, что и графитовый тигель, оно может эффективно выдерживать циклические колебания при высоких и низких температурах, продлевая срок службы графитового тигля.**