Mitkä ovat SiC- ja TaC-pinnoitteiden sovellukset puolijohdekentässä?

Kuinka puolijohdesektori määritellään laajasti ja mitkä ovat sen pääkomponentit?

Puolijohdesektori viittaa laajasti puolijohdemateriaalien ominaisuuksien käyttöön puolijohdeintegroitujen piirien (IC:iden), puolijohdenäytöiden (LCD/OLED-paneelien), puolijohdevalaistuksen (LED) ja puolijohdeenergiatuotteiden (valosähkö) valmistukseen liittyvien puolijohteiden valmistusprosessien kautta. Integroidut piirit muodostavat jopa 80 % tästä sektorista, joten suppeasti ottaen puolijohdeteollisuus viittaa usein nimenomaan IC-teollisuuteen.

Pohjimmiltaan puolijohteiden valmistus sisältää piirirakenteiden luomisen "substraatille" ja tämän piirin kytkemisen ulkoisiin teho- ja ohjausjärjestelmiin erilaisten toimintojen saavuttamiseksi. Substraatit, teollisuudessa käytetty termi, voidaan valmistaa puolijohdemateriaaleista, kuten Si tai SiC, tai ei-puolijohdemateriaaleista, kuten safiirista tai lasista. LED- ja paneeliteollisuutta lukuun ottamatta piikiekot ovat yleisimmin käytettyjä substraatteja. Epitaksia tarkoittaa uuden ohutkalvomateriaalin kasvattamista alustalle. Yleisiä materiaaleja ovat Si, SiC, GaN, GaAs jne. Epitaksia tarjoaa laitesuunnittelijoille huomattavan joustavuuden optimoida laitteen suorituskykyä säätelemällä tekijöitä, kuten seostuspaksuutta, pitoisuus ja epitaksiaalikerroksen profiili substraatista riippumatta. Tämä valvonta saavutetaan dopingilla epitaksiaalisen kasvuprosessin aikana.

Mitä puolijohteiden valmistuksen etupään prosessi sisältää?

Etupääprosessi on puolijohteiden valmistuksen teknisesti monimutkaisin ja pääomavaltaisin osa, joka vaatii samojen toimenpiteiden toistamista useita kertoja, joten sitä kutsutaan "sykliseksi prosessiksi". Se sisältää pääasiassa puhdistuksen, hapettamisen, fotolitografian, etsauksen, ioni-istutuksen, diffuusion, hehkutuksen, ohutkalvopinnoituksen ja kiillotuksen.

Kuinka pinnoitteet suojaavat puolijohteiden valmistuslaitteita?

Puolijohteiden valmistuslaitteet toimivat korkeissa lämpötiloissa, erittäin syövyttävissä ympäristöissä ja vaativat erittäin korkeaa puhtautta. Näin ollen laitteiden sisäisten osien suojaaminen on ratkaiseva haaste. Päällystystekniikka parantaa ja suojaa perusmateriaaleja muodostamalla ohuen päällyskerroksen niiden pinnoille. Tämän mukautuksen ansiosta perusmateriaalit kestävät äärimmäisempiä ja monimutkaisempia tuotantoympäristöjä, mikä parantaa niiden kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa, korroosionkestävyyttä, hapettumisenkestävyyttä ja pidentää niiden käyttöikää.

Miksi onSiC pinnoiteMerkittävä piisubstraattien valmistusalueella?

Piikiteiden kasvatusuuneissa korkean lämpötilan piihöyry noin 1500 °C:ssa voi syövyttää merkittävästi grafiitti- tai hiili-hiilimateriaalikomponentteja. Korkean puhtauden levittäminenSiC pinnoitenämä komponentit voivat tehokkaasti estää piihöyryä ja pidentää komponenttien käyttöikää.

Puolijohdepiikiekkojen tuotantoprosessi on monimutkainen, ja se sisältää useita vaiheita, ja kiteen kasvu, piikiekkojen muodostus ja epitaksiaalinen kasvu ovat ensisijaisia ​​vaiheita. Kiteen kasvu on piikiekkojen tuotannon ydinprosessi. Yksikiteisen valmistusvaiheen aikana määritetään ratkaisevat tekniset parametrit, kuten kiekon halkaisija, kiteen suuntaus, seostusjohtavuuden tyyppi, ominaisvastusalue ja -jakauma, hiili- ja happipitoisuus sekä hilavirheet. Yksikiteinen pii valmistetaan tyypillisesti joko Czochralskin (CZ) menetelmällä tai Float Zone (FZ) -menetelmällä. CZ-menetelmä on yleisimmin käytetty, ja sen osuus piikiteistä on noin 85 %. 12 tuuman piikiekkoja voidaan valmistaa vain CZ-menetelmällä. Tämä menetelmä sisältää erittäin puhtaan polypiimateriaalin sijoittamisen kvartsiupokkaan, sen sulatuksen erittäin puhtaan inertin kaasun suojassa ja sitten yksikiteisen piin siemenen lisäämisen sulatteeseen. Kun siemen vedetään ylös, kide kasvaa yksikiteiseksi piisauvaksi.

Miten onTaC-pinnoiteKehittyykö PVT-menetelmien avulla?

SiC:n luontaiset ominaisuudet (Si:C=1:1 nestefaasin puute ilmakehän paineessa) tekevät yksikiteisen kasvun haastavaksi. Tällä hetkellä yleisiä menetelmiä ovat fyysinen höyrykuljetus (PVT), korkean lämpötilan kemiallinen höyrypinnoitus (HT-CVD) ja nestefaasiepitaksi (LPE). Näistä PVT on laajimmin hyväksytty alhaisempien laitevaatimusten, yksinkertaisemman prosessin, vahvan ohjattavuuden ja vakiintuneiden teollisten sovellusten vuoksi.

PVT-menetelmä mahdollistaa aksiaalisen ja radiaalisen lämpötilakentän hallinnan säätämällä lämmöneristysolosuhteita grafiittiupokkaan ulkopuolella. Piikarbidijauhe sijoitetaan grafiittiupokkaan kuumempaan pohjaan, kun taas piikarbidin siemenkide on kiinnitetty viileämpään yläosaan. Jauheen ja siemenen välinen etäisyys säädetään tyypillisesti useisiin kymmeniin millimetreihin, jotta vältetään kasvavan piikarbidikiteen ja jauheen välinen kosketus. Käyttämällä erilaisia ​​kuumennusmenetelmiä (induktio- tai vastuskuumennus) piikarbidijauhe kuumennetaan 2200-2500 °C:seen, jolloin alkuperäinen jauhe sublimoituu ja hajoaa kaasumaisiksi komponenteiksi, kuten Si, Si2C ja SiC2. Nämä kaasut kuljetetaan konvektiolla siemenkiteen päähän, jossa piikarbidi kiteytyy, jolloin saavutetaan yksikiteinen kasvu. Tyypillinen kasvunopeus on 0,2–0,4 mm/h, mikä vaatii 7–14 päivää 20–30 mm:n kideharkon kasvattamiseen.

Hiilisulkeumat PVT:llä kasvatetuissa piikarbidikiteissä on merkittävä vikojen lähde, mikä myötävaikuttaa mikroputkien ja polymorfisten vikojen syntymiseen, mikä heikentää piikarbidikiteiden laatua ja rajoittaa piikarbidiin perustuvien laitteiden suorituskykyä. Yleensä piikarbidijauheen grafitoituminen ja runsaasti hiiltä sisältävä kasvurintama ovat tunnustettuja hiilen inkluusiolähteitä: 1) SiC-jauheen hajoamisen aikana Si-höyry kerääntyy kaasufaasiin, kun taas C keskittyy kiinteään faasiin, mikä johtaa jauheen vakavaan hiiltymiseen. myöhässä kasvussa. Kun jauheen hiilihiukkaset ylittävät painovoiman ja diffundoituvat piikarbidiharkkoon, muodostuu hiilisulkeumia. 2) Si-rikkaissa olosuhteissa ylimääräinen Si-höyry reagoi grafiittiupokkaan seinämän kanssa muodostaen ohuen piikarbidikerroksen, joka voi helposti hajota hiilihiukkasiksi ja Si-pitoisiksi komponenteiksi.

Nämä ongelmat voidaan ratkaista kahdella tavalla: 1) Suodata hiilihiukkaset voimakkaasti hiiltyneestä piikarbidijauheesta kasvun myöhässä. 2) Estä Si-höyryä syövyttämästä grafiittiupokkaan seinämää. Monet karbidit, kuten TaC, voivat toimia vakaasti yli 2000 °C:ssa ja kestävät happojen, emästen, NH3-, H2- ja Si-höyryn aiheuttamaa kemiallista korroosiota. Piikarbidikiekkojen laatuvaatimusten kasvaessa TaC-pinnoitteiden käyttöä piikarbidikiteiden kasvatusteknologiassa tutkitaan teollisesti. Tutkimukset osoittavat, että piikarbidikiteet, jotka on valmistettu käyttämällä TaC-pinnoitettuja grafiittikomponentteja PVT-kasvatusuuneissa, ovat puhtaampia, ja niiden vikatiheydet ovat huomattavasti pienemmät, mikä parantaa merkittävästi kiteen laatua.

a) HuokoinenTaC- tai TaC-pinnoitettu huokoinen grafiitti: Suodattaa hiilihiukkaset, estää diffuusion kiteen ja varmistaa tasaisen ilmavirran.

b)TaC-pinnoitetturenkaat: Eristä Si-höyry grafiittiupokkaan seinämästä, estäen upokkaan seinämän korroosion Si-höyryn vaikutuksesta.

c)TaC-pinnoitettuVirtausohjaimet: Eristä Si-höyry grafiittiupokkaan seinämästä ohjaten samalla ilmavirtausta kohti siemenkitettä.

d)TaC-pinnoitettusiemenkiteiden pidikkeet: Eristä Si-höyry upokkaan yläkannessa estääksesi yläkannen Si-höyryn aiheuttaman korroosion.

MitenCVD SiC pinnoiteHyöty GaN-alustan valmistuksesta?

Tällä hetkellä GaN-substraattien kaupallinen tuotanto alkaa puskurikerroksen (tai maskikerroksen) luomisella safiirialustan päälle. Vetyhöyryfaasiepitaksia (HVPE) käytetään sitten kasvattamaan nopeasti GaN-kalvo tälle puskurikerrokselle, mitä seuraa erotus ja kiillotus vapaasti seisova GaN-substraatin saamiseksi. Kuinka HVPE toimii ilmakehän paineisissa kvartsireaktoreissa, kun otetaan huomioon sen vaatimus sekä matalan että korkean lämpötilan kemiallisissa reaktioissa?

Matalan lämpötilan alueella (800-900 °C) kaasumainen HCl reagoi metallisen Ga:n kanssa muodostaen kaasumaista GaCl:a.

Korkean lämpötilan alueella (1000-1100°C) kaasumainen GaCl reagoi kaasumaisen NH3:n kanssa muodostaen GaN-yksikidekalvon.

Mitkä ovat HVPE-laitteiden rakenneosat ja miten ne suojataan korroosiolta? HVPE-laitteisto voi olla joko vaaka- tai pystysuora, ja se koostuu komponenteista, kuten galliumvene, uunin runko, reaktori, kaasukonfiguraatiojärjestelmä ja pakojärjestelmä. Grafiittikaukalot ja -tangot, jotka joutuvat kosketuksiin NH3:n kanssa, ovat herkkiä korroosiolle ja ne voidaan suojataSiC pinnoitevahinkojen estämiseksi.

Mikä merkitys CVD-tekniikalla on GaN Epitaxy -valmistukseen verrattuna?

Miksi puolijohdelaitteiden alalla on välttämätöntä rakentaa epitaksiaalisia kerroksia tietyille kiekkosubstraateille? Tyypillinen esimerkki sisältää sinivihreät LEDit, jotka vaativat GaN-epitaksiaalikerroksia safiirialustoille. MOCVD-laitteet ovat elintärkeitä GaN-epitaksituotantoprosessissa, ja johtavia toimittajia ovat AMEC, Aixtron ja Veeco Kiinassa.

Miksi substraatteja ei voida asettaa suoraan metallille tai yksinkertaisille alustoille epitaksiaalisen saostuksen aikana MOCVD-järjestelmissä? Sellaiset tekijät kuin kaasun virtaussuunta (vaaka, pystysuora), lämpötila, paine, alustan kiinnittyminen ja roskien aiheuttama kontaminaatio on otettava huomioon. Siksi substraattien pitämiseen käytetään taskuilla varustettua suskeptoria, ja näihin taskuihin sijoitetuille substraateille suoritetaan epitaksiaalinen kerrostus CVD-tekniikalla. Thesuskeptori on grafiittipohja, jossa on piikarbidipinnoite.

Mikä on kemiallinen ydinreaktio GaN-epitaksissa, ja miksi piikarbidipinnoitteen laatu on ratkaisevan tärkeää? Ydinreaktio on NH3 + TMGa → GaN + sivutuotteet (noin 1050-1100 °C:ssa). NH3 kuitenkin hajoaa termisesti korkeissa lämpötiloissa vapauttaen atomivetyä, joka reagoi voimakkaasti grafiitin hiilen kanssa. Koska NH3/H2 ei reagoi piikarbidin kanssa 1100°C:ssa, täydellinen piikarbidipinnoitteen kapselointi ja sen laatu ovat kriittisiä prosessille.

Miten piikarbidin epitaksituotannon alalla pinnoitteita levitetään valtavirran reaktiokammioihin?

SiC on tyypillinen polytyyppinen materiaali, jossa on yli 200 erilaista kiderakennetta, joista 3C-SiC, 4H-SiC ja 6H-SiC ovat yleisimpiä. 4H-SiC on kiderakenne, jota käytetään pääasiassa valtavirran laitteissa. Merkittävä kiderakenteeseen vaikuttava tekijä on reaktiolämpötila. Tietyn kynnyksen alle jäävillä lämpötiloilla on taipumus tuottaa muita kidemuotoja. Optimaalinen reaktiolämpötila on välillä 1550 - 1650 °C; alle 1550 °C:n lämpötilat tuottavat todennäköisemmin 3C-SiC:tä ja muita rakenteita. 3C-SiC:tä käytetään kuitenkin yleisestiSiC pinnoitteetja reaktiolämpötila noin 1600 °C on lähellä 3C-SiC:n rajaa. Vaikka TaC-pinnoitteiden nykyistä käyttöä rajoittavat kustannusongelmat, pitkällä aikavälilläTaC-pinnoitteetodotetaan vähitellen korvaavan piikarbidipinnoitteet piikarbidin epitaksiaalisissa laitteissa.

Tällä hetkellä piikarbidin epitaksia varten on kolme päätyyppiä CVD-järjestelmiä: planetaarinen kuumaseinä, horisontaalinen kuumaseinä ja pystysuora kuumaseinä. Planetaariselle kuumaseinämäiselle CVD-järjestelmälle on ominaista sen kyky kasvattaa useita kiekkoja yhdessä erässä, mikä johtaa korkeaan tuotantotehokkuuteen. Vaakasuora kuumaseinäinen CVD-järjestelmä sisältää tyypillisesti yksikiekkoisen, suurikokoisen kasvujärjestelmän, jota ohjaa kaasun kelluntakierto, mikä mahdollistaa erinomaiset kiekonsisäiset spesifikaatiot. Pystysuorassa kuumaseinäisessä CVD-järjestelmässä on pääasiassa nopea pyöritys, jota avustaa ulkoinen mekaaninen alusta. Se vähentää tehokkaasti rajakerroksen paksuutta ylläpitämällä alhaisempaa reaktiokammion painetta, mikä tehostaa epitaksiaalista kasvunopeutta. Lisäksi sen kammiosuunnittelusta puuttuu yläseinä, joka voisi johtaa piikarbidihiukkasten kerrostumiseen, mikä minimoi hiukkasten putoamisen riskin ja tarjoaa luontaisen edun vikojen hallinnassa.

Mitä sovelluksia käytetään korkean lämpötilan lämpökäsittelyssäCVD SiCputkiuunien laitteissa?

Putkiuunien laitteita käytetään laajalti prosesseissa, kuten hapetuksessa, diffuusiossa, ohutkalvon kasvattamisessa, hehkutuksessa ja seostuksessa puolijohdeteollisuudessa. On olemassa kaksi päätyyppiä: vaaka- ja pystysuora. Tällä hetkellä IC-teollisuus käyttää pääasiassa pystyputkiuuneja. Prosessipaineesta ja sovelluksesta riippuen putkiuunien laitteet voidaan luokitella ilmakehän paineuuneihin ja matalapaineuuneihin. Ilmakehän paineuuneja käytetään pääasiassa lämpödiffuusioseostukseen, ohutkalvohapetukseen ja korkean lämpötilan hehkutukseen, kun taas matalapaineuuneja käytetään erityyppisten ohutkalvojen (kuten LPCVD ja ALD) kasvattamiseen. Erilaisten putkiuunilaitteiden rakenteet ovat samanlaiset ja ne voidaan joustavasti konfiguroida suorittamaan diffuusio-, hapetus-, hehkutus-, LPCVD- ja ALD-toimintoja tarpeen mukaan. Erittäin puhtaat sintratut piikarbidiputket, piikarbidikiekot ja piikarbidin vuorauksen seinämät ovat olennaisia ​​osia putkiuunien laitteiston reaktiokammion sisällä. Riippuen asiakkaan tarpeista, lisäSiC pinnoitekerros voidaan levittää sintratun piikarbidikeramiikan pinnalle suorituskyvyn parantamiseksi.

Aurinkosähköisen rakeisen piin valmistuksen alalla, miksi onSiC pinnoiteKeskeisen roolin pelaaminen?

Metallurgisesta piistä (tai teollisesta piistä) johdettu polypii on ei-metallinen materiaali, joka on puhdistettu useilla fysikaalisilla ja kemiallisilla reaktioilla yli 99,9999 %:n (6N) piipitoisuuden saavuttamiseksi. Aurinkosähköalalla polypiistä prosessoidaan kiekkoja, kennoja ja moduuleja, joita käytetään viime kädessä aurinkosähkön sähköntuotantojärjestelmissä, mikä tekee polypiistä tärkeän aurinkosähköteollisuuden ketjun alkupään komponentin. Tällä hetkellä polypiin valmistukseen on olemassa kaksi teknologista reittiä: modifioitu Siemens-prosessi (sauvamainen pii) ja silaanileijupetiprosessi (rakeisen piin tuottaminen). Modifioidussa Siemens-prosessissa erittäin puhdasta SiHCl3:a pelkistetään erittäin puhtaalla vedyllä erittäin puhtaalla piiytimellä noin 1150 °C:ssa, mikä johtaa polypiin kerrostumiseen piiytimelle. Silaanileijupetiprosessissa käytetään tyypillisesti SiH4:a piin lähdekaasuna ja H2:a kantokaasuna, ja SiCl4:a lisätään SiH4:n termiseen hajottamiseen leijukerrosreaktorissa 600-800 °C:ssa rakeisen polypiin tuottamiseksi. Modifioitu Siemens-prosessi on edelleen valtavirran polypiin tuotantoreitti suhteellisen kypsän tuotantoteknologiansa vuoksi. Kuitenkin, kun yritykset, kuten GCL-Poly ja Tianhong Reike, jatkavat rakeisen piiteknologian edistämistä, silaanileijupetiprosessi voi saada markkinaosuuttaan alhaisempien kustannusten ja pienentyneen hiilijalanjäljen ansiosta.

Tuotteen puhtauden valvonta on perinteisesti ollut leijukerrosprosessin heikko kohta, mikä on ensisijainen syy, miksi se ei ole ohittanut Siemensin prosessia merkittävistä kustannusetuistaan ​​huolimatta. Vuoraus toimii silaanileijupetiprosessin päärakenteena ja reaktioastiana, joka suojaa reaktorin metallikuorta eroosiolta ja korkean lämpötilan kaasujen ja materiaalien aiheuttamalta kulumiselta ja samalla eristää ja ylläpitää materiaalin lämpötilaa. Ankarien työolosuhteiden ja suoran kosketuksen vuoksi rakeisen piin kanssa vuorausmateriaalin tulee olla korkea puhtaus, kulutuskestävyys, korroosionkestävyys ja korkea lujuus. Yleisiä materiaaleja ovat grafiitti, jossa on aSiC pinnoite. Varsinaisessa käytössä kuitenkin esiintyy pinnoitteen kuoriutumista/säröilyä, joka johtaa liialliseen hiilipitoisuuteen rakeisessa piissä, mikä johtaa lyhyeen grafiittivuorausten käyttöikään ja säännölliseen vaihtotarpeeseen, jolloin ne luokitellaan kulutustarvikkeiksi. SiC-päällystettyihin leijukerrosvuorausmateriaaleihin liittyvät tekniset haasteet ja niiden korkeat kustannukset estävät silaanileijupetiprosessin omaksumista markkinoilla, ja niihin on puututtava laajemman soveltamisen kannalta.

Missä sovelluksissa pyrolyyttistä grafiittipinnoitetta käytetään?

Pyrolyyttinen grafiitti on uusi hiilimateriaali, joka koostuu erittäin puhtaista hiilivedyistä, jotka on kemiallisesti höyrystetty uunin paineissa välillä 1800 °C - 2000 °C, mikä johtaa erittäin kristallografisesti orientoituneeseen pyrolyyttiseen hiileen. Sillä on suuri tiheys (2,20 g/cm³), korkea puhtaus ja anisotrooppiset lämpö-, sähkö-, magneetti- ja mekaaniset ominaisuudet. Se voi ylläpitää 10 mmHg:n tyhjiötä jopa noin 1800 °C:ssa ja löytää laajan sovelluspotentiaalin sellaisilla aloilla kuin ilmailu, puolijohteet, aurinkosähkö ja analyyttiset instrumentit.

Punakeltaisessa LED-epitaksissa ja tietyissä erikoisskenaarioissa MOCVD-katto ei vaadi piikarbidipinnoitussuojaa, vaan sen sijaan käytetään pyrolyyttistä grafiittipinnoitusliuosta.

Elektronisuihkuhaihdutusalumiinin upokkaat vaativat suurta tiheyttä, korkean lämpötilan kestävyyttä, hyvää lämpöiskun kestävyyttä, korkeaa lämmönjohtavuutta, alhaista lämpölaajenemiskerrointa ja kestävyyttä happojen, alkalien, suolojen ja orgaanisten reagenssien aiheuttamaa korroosiota vastaan. Koska pyrolyyttinen grafiittipinnoite jakaa samaa materiaalia kuin grafiittiupokas, se kestää tehokkaasti korkean matalan lämpötilan kiertoa, mikä pidentää grafiittiupokkaan käyttöikää.**