في الوقت الحاضر، يهيمن الجيل الثالث من أشباه الموصلاتكربيد السيليكون. وفي هيكل تكلفة أجهزتها، تمثل الركيزة 47%، والفوقية 23%. ويشكل الاثنان معًا حوالي 70%، وهو الجزء الأكثر أهمية في الاقتصادكربيد السيليكونسلسلة صناعة تصنيع الأجهزة.
الطريقة الشائعة للتحضيركربيد السيليكونالبلورات المفردة هي طريقة PVT (نقل البخار الفيزيائي). المبدأ هو تصنيع المواد الخام في منطقة ذات درجة حرارة عالية وبلورة البذور في منطقة ذات درجة حرارة منخفضة نسبيًا. تتحلل المواد الخام عند درجة حرارة أعلى وتنتج مباشرة مواد الطور الغازي بدون الطور السائل. يتم نقل هذه المواد في الطور الغازي إلى بلورة البذور تحت محرك التدرج في درجة الحرارة المحورية، وتنوا وتنمو في بلورة البذرة لتكوين بلورة مفردة من كربيد السيليكون. في الوقت الحاضر، الشركات الأجنبية مثل Cree، II-VI، SiCrystal، Dow والشركات المحلية مثل Tianyue Advanced، Tianke Heda، وCentury Golden Core جميعها تستخدم هذه الطريقة.
هناك أكثر من 200 شكل بلوري من كربيد السيليكون، ويلزم التحكم الدقيق للغاية لتوليد الشكل البلوري المفرد المطلوب (الشكل السائد هو الشكل البلوري 4H). وفقًا لنشرة Tianyue Advanced، بلغت عائدات قضبان الكريستال للشركة في 2018-2020 والنصف الأول من عام 2021 41%، و38.57%، و50.73%، و49.90% على التوالي، وكانت عائدات الركيزة 72.61%، و75.15%، و70.44%، و75.47% على التوالي. ويبلغ العائد الشامل حاليًا 37.7٪ فقط. إذا أخذنا طريقة PVT السائدة كمثال، فإن العائد المنخفض يرجع بشكل رئيسي إلى الصعوبات التالية في إعداد الركيزة SiC:
1. صعوبة التحكم في درجة الحرارة الميدانية: يجب إنتاج قضبان كريستال SiC عند درجة حرارة عالية تبلغ 2500 درجة مئوية، بينما تحتاج بلورات السيليكون فقط إلى 1500 درجة مئوية، لذلك يلزم وجود أفران بلورية مفردة خاصة، ويجب التحكم بدقة في درجة حرارة النمو أثناء الإنتاج ، وهو أمر يصعب للغاية السيطرة عليه.
2. سرعة الإنتاج البطيئة: يبلغ معدل نمو مواد السيليكون التقليدية 300 مم في الساعة، لكن بلورات كربيد السيليكون المفردة يمكن أن تنمو فقط 400 ميكرون في الساعة، وهو ما يقرب من 800 ضعف الفرق.
3. المتطلبات العالية لمعلمات المنتج الجيدة، ومن الصعب التحكم في إنتاجية الصندوق الأسود في الوقت المناسب: تشمل المعلمات الأساسية لرقائق SiC كثافة الأنابيب الدقيقة، وكثافة التفكك، والمقاومة، والالتواء، وخشونة السطح، وما إلى ذلك. أثناء عملية نمو البلورة، يتم ذلك من الضروري التحكم بدقة في المعلمات مثل نسبة السيليكون إلى الكربون، وتدرج درجة حرارة النمو، ومعدل نمو البلورات، وضغط تدفق الهواء. خلاف ذلك، من المرجح أن تحدث شوائب متعددة الأشكال، مما يؤدي إلى بلورات غير مؤهلة. في الصندوق الأسود لبوتقة الجرافيت، من المستحيل ملاحظة حالة نمو البلورة في الوقت الفعلي، ويتطلب الأمر تحكمًا دقيقًا للغاية في المجال الحراري ومطابقة المواد وتراكم الخبرة.
4. صعوبة تمدد البلورات: في ظل طريقة نقل الطور الغازي، تكون تكنولوجيا التمدد لنمو بلورات SiC صعبة للغاية. ومع زيادة حجم البلورة، تزداد صعوبة نموها بشكل كبير.
5. العائد المنخفض بشكل عام: يتكون العائد المنخفض بشكل أساسي من وصلتين: (1) إنتاجية قضيب الكريستال = خرج قضيب كريستال من درجة أشباه الموصلات / (إخراج قضيب كريستال من درجة أشباه الموصلات + إخراج قضيب كريستال من درجة غير أشباه الموصلات) × 100٪؛ (2) إنتاجية الركيزة = مخرجات الركيزة المؤهلة/(مخرجات الركيزة المؤهلة + مخرجات الركيزة غير المؤهلة) × 100%.
في إعداد عالية الجودة وعالية الغلةركائز كربيد السيليكون، يحتاج القلب إلى مواد مجال حراري أفضل للتحكم بدقة في درجة حرارة الإنتاج. مجموعات بوتقة المجال الحراري المستخدمة حاليًا هي في الأساس أجزاء هيكلية من الجرافيت عالية النقاء، والتي تستخدم لتسخين وإذابة مسحوق الكربون ومسحوق السيليكون والتدفئة. تتميز مواد الجرافيت بخصائص قوة محددة عالية ومعامل محدد، ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية ومقاومة للتآكل، ولكن لها عيوب تتمثل في سهولة التأكسد في بيئات الأكسجين ذات درجة الحرارة العالية، وعدم مقاومة الأمونيا، ومقاومة الخدش الضعيفة. في عملية نمو بلورة واحدة من كربيد السيليكون ورقاقة كربيد السيليكون الفوقيالإنتاج، من الصعب تلبية متطلبات الناس الصارمة بشكل متزايد لاستخدام مواد الجرافيت، مما يحد بشكل خطير من تطويرها وتطبيقها العملي. ولذلك، بدأت الطلاءات ذات درجة الحرارة العالية مثل كربيد التنتالوم في الظهور.
2. خصائصطلاء كربيد التنتالوم
يتمتع سيراميك TaC بنقطة انصهار تصل إلى 3880 درجة مئوية، وصلابة عالية (صلابة موس 9-10)، وموصلية حرارية كبيرة (22W·m-1·K−1)، وقوة انحناء كبيرة (340-400MPa)، وتمدد حراري صغير. معامل (6.6×10−6K−1)، ويُظهر ثباتًا كيميائيًا حراريًا ممتازًا وخصائص فيزيائية ممتازة. إنه يتمتع بتوافق كيميائي جيد وتوافق ميكانيكي مع المواد المركبة من الجرافيت وC/C. لذلك، يتم استخدام طلاء TaC على نطاق واسع في الحماية الحرارية للطيران، ونمو البلورة المفردة، وإلكترونيات الطاقة، والمعدات الطبية.
المغلفة بـ TaCيتمتع الجرافيت بمقاومة أفضل للتآكل الكيميائي من الجرافيت العاري أو الجرافيت المطلي بـ SiC، ويمكن استخدامه بثبات عند درجات حرارة عالية تصل إلى 2600 درجة، ولا يتفاعل مع العديد من العناصر المعدنية. إنه أفضل طلاء في سيناريوهات نمو البلورة المفردة لأشباه الموصلات من الجيل الثالث ونقش الرقاقة. يمكن أن يحسن بشكل كبير التحكم في درجة الحرارة والشوائب في العملية والتحضيررقائق كربيد السيليكون عالية الجودةوما يتصل بهارقائق الفوقي. إنها مناسبة بشكل خاص لزراعة بلورات GaN أو AlN المفردة باستخدام معدات MOCVD وبلورات SiC المفردة المتنامية باستخدام معدات PVT، كما تم تحسين جودة البلورات المفردة المزروعة بشكل كبير.
ثالثا. مزايا الأجهزة المطلية بكربيد التنتالوم
يمكن أن يؤدي استخدام طلاء Tantalum Carbide TaC إلى حل مشكلة عيوب الحافة البلورية وتحسين جودة نمو البلورة. إنه أحد الاتجاهات الفنية الأساسية لـ "النمو السريع، والنمو الكثيف، والنمو الطويل". أظهرت أبحاث الصناعة أيضًا أن بوتقة الجرافيت المطلية بكربيد التنتالوم يمكن أن تحقق تسخينًا أكثر اتساقًا، وبالتالي توفر تحكمًا ممتازًا في العملية لنمو بلورة مفردة من كربيد السيليكون، مما يقلل بشكل كبير من احتمالية تكوين الكريستالات عند حافة بلورات كربيد السيليكون. وبالإضافة إلى ذلك، فإن طلاء الجرافيت من كربيد التنتالوم له ميزتان رئيسيتان:
(ط) تقليل عيوب كربيد السيليكون
فيما يتعلق بالتحكم في عيوب بلورة SiC المفردة، عادة ما تكون هناك ثلاث طرق مهمة. بالإضافة إلى تحسين معايير النمو والمواد المصدرية عالية الجودة (مثل مسحوق مصدر SiC)، فإن استخدام بوتقة الجرافيت المطلية بكربيد التنتالوم يمكن أن يحقق أيضًا جودة بلورية جيدة.
رسم تخطيطي لبوتقة الجرافيت التقليدية (أ) والبوتقة المطلية بـ TAC (ب)
وفقًا لبحث أجرته جامعة أوروبا الشرقية في كوريا، فإن الشوائب الرئيسية في نمو بلورات كربيد السيليكون هي النيتروجين، ويمكن لبوتقات الجرافيت المطلية بكربيد التنتالوم أن تحد بشكل فعال من دمج النيتروجين في بلورات كربيد السيليكون، وبالتالي تقليل توليد العيوب مثل الأنابيب الدقيقة وتحسين الكريستال. جودة. أظهرت الدراسات أنه في ظل نفس الظروف، تبلغ تركيزات الحامل لرقائق SiC المزروعة في بوتقات الجرافيت التقليدية والبوتقات المطلية بـ TAC حوالي 4.5×1017/سم و7.6×1015/سم، على التوالي.
مقارنة العيوب في بلورات SiC المفردة المزروعة في بوتقات الجرافيت التقليدية (أ) والبوتقات المطلية بـ TAC (ب)
(ثانيا) تحسين عمر بوتقات الجرافيت
حاليًا، ظلت تكلفة بلورات SiC مرتفعة، حيث تمثل تكلفة المواد الاستهلاكية الجرافيت حوالي 30٪. المفتاح لتقليل تكلفة المواد الاستهلاكية الجرافيت هو زيادة عمر الخدمة. وفقًا لبيانات فريق بحث بريطاني، يمكن لطلاءات كربيد التنتالوم إطالة عمر خدمة مكونات الجرافيت بنسبة 30-50%. وفقًا لهذا الحساب، فإن استبدال الجرافيت المطلي بكربيد التنتالوم فقط هو الذي يمكن أن يقلل تكلفة بلورات SiC بنسبة 9%-15%.
4. عملية تحضير طلاء كربيد التنتالوم
يمكن تقسيم طرق تحضير طلاء TaC إلى ثلاث فئات: طريقة الطور الصلب، وطريقة الطور السائل، وطريقة الطور الغازي. تشتمل طريقة الطور الصلب بشكل أساسي على طريقة الاختزال والطريقة الكيميائية؛ تشتمل طريقة الطور السائل على طريقة الملح المصهور، وطريقة سول-جيل (Sol-Gel)، وطريقة تلبيد الملاط، وطريقة رش البلازما؛ تشتمل طريقة الطور الغازي على ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، وتسلل البخار الكيميائي (CVI)، وترسيب البخار الفيزيائي (PVD). الأساليب المختلفة لها مزاياها وعيوبها. من بينها، CVD هي طريقة ناضجة نسبيًا ومستخدمة على نطاق واسع لإعداد طلاءات TaC. مع التحسين المستمر للعملية، تم تطوير عمليات جديدة مثل ترسيب البخار الكيميائي بالسلك الساخن وترسيب البخار الكيميائي بمساعدة الشعاع الأيوني.
تشتمل المواد المعتمدة على الكربون المعدلة بطبقة TaC أساسًا على الجرافيت وألياف الكربون والمواد المركبة من الكربون/الكربون. تتضمن طرق تحضير طلاءات TaC على الجرافيت رش البلازما، والأمراض القلبية الوعائية، وتلبد الملاط، وما إلى ذلك.
مزايا طريقة CVD: تعتمد طريقة CVD لإعداد طلاءات TaC على هاليد التنتالوم (TaX5) كمصدر للتنتالوم والهيدروكربون (CnHm) كمصدر للكربون. في ظل ظروف معينة، تتحلل إلى Ta وC على التوالي، ثم تتفاعل مع بعضها البعض للحصول على طلاءات TaC. يمكن تنفيذ طريقة CVD عند درجة حرارة منخفضة، مما يمكن من تجنب العيوب وتقليل الخواص الميكانيكية الناتجة عن التحضير بدرجة حرارة عالية أو معالجة الطلاء إلى حد ما. يمكن التحكم في تكوين وهيكل الطلاء، ويتميز بمزايا النقاء العالي والكثافة العالية والسمك الموحد. والأهم من ذلك، أنه يمكن تصميم تركيبة وهيكل طلاءات TaC المحضرة بواسطة CVD والتحكم فيها بسهولة. إنها طريقة ناضجة نسبيًا ومستخدمة على نطاق واسع لإعداد طلاءات TaC عالية الجودة.
تشمل العوامل المؤثرة الأساسية في العملية ما يلي:
أ. معدل تدفق الغاز (مصدر التنتالوم، الغاز الهيدروكربوني كمصدر للكربون، الغاز الحامل، غاز التخفيف Ar2، الغاز المخفض H2): إن التغير في معدل تدفق الغاز له تأثير كبير على مجال درجة الحرارة، ومجال الضغط، ومجال تدفق الغاز في غرفة التفاعل، مما يؤدي إلى تغييرات في تكوين الطلاء وبنيته وأدائه. ستؤدي زيادة معدل تدفق Ar إلى إبطاء معدل نمو الطلاء وتقليل حجم الحبوب، بينما تؤثر نسبة الكتلة المولية لـ TaCl5 وH2 وC3H6 على تركيبة الطلاء. النسبة المولية لـ H2 إلى TaCl5 هي (15-20):1 وهي مناسبة أكثر. النسبة المولية لـ TaCl5 إلى C3H6 قريبة نظريًا من 3:1. سوف يتسبب الإفراط في TaCl5 أو C3H6 في تكوين Ta2C أو الكربون الحر، مما يؤثر على جودة الرقاقة.
ب. درجة حرارة الترسيب: كلما ارتفعت درجة حرارة الترسيب، زاد معدل الترسيب، وكبر حجم الحبوب، وأصبح الطلاء أكثر خشونة. بالإضافة إلى ذلك، تختلف درجة حرارة وسرعة تحلل الهيدروكربون إلى C وتحلل TaCl5 إلى Ta، ومن المرجح أن يشكل Ta وC Ta2C. درجة الحرارة لها تأثير كبير على طلاء TaC للمواد الكربونية المعدلة. ومع زيادة درجة حرارة الترسيب، يزداد معدل الترسيب، ويزداد حجم الجسيمات، ويتغير شكل الجسيمات من كروي إلى متعدد السطوح. بالإضافة إلى ذلك، كلما ارتفعت درجة حرارة الترسيب، كلما كان تحلل TaCl5 أسرع، وكلما قلت نسبة C الحرة، زاد الضغط في الطلاء، وسيتم إنشاء الشقوق بسهولة. ومع ذلك، فإن درجة حرارة الترسيب المنخفضة ستؤدي إلى انخفاض كفاءة ترسيب الطلاء، ووقت ترسيب أطول، وارتفاع تكاليف المواد الخام.
ج. ضغط الترسيب: يرتبط ضغط الترسيب ارتباطًا وثيقًا بالطاقة الحرة لسطح المادة وسيؤثر على وقت بقاء الغاز في غرفة التفاعل، وبالتالي يؤثر على سرعة النواة وحجم الجسيمات للطلاء. مع زيادة ضغط الترسيب، يصبح وقت بقاء الغاز أطول، ويكون لدى المواد المتفاعلة وقت أطول للخضوع لتفاعلات النواة، ويزيد معدل التفاعل، وتصبح الجزيئات أكبر، ويصبح الطلاء أكثر سمكًا؛ على العكس من ذلك، مع انخفاض ضغط الترسيب، يكون وقت بقاء غاز التفاعل قصيرًا، ويتباطأ معدل التفاعل، وتصبح الجزيئات أصغر، ويكون الطلاء أرق، لكن ضغط الترسيب له تأثير ضئيل على البنية البلورية وتكوين الطلاء.
V. اتجاه تطوير طلاء كربيد التنتالوم
يختلف معامل التمدد الحراري لـ TaC (6.6×10−6K−1) إلى حد ما عن معامل المواد القائمة على الكربون مثل الجرافيت وألياف الكربون والمواد المركبة C/C، مما يجعل طلاءات TaC أحادية الطور عرضة للتشقق والتآكل. السقوط. من أجل زيادة تحسين مقاومة الاجتثاث والأكسدة، والاستقرار الميكانيكي لدرجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل الكيميائي لدرجات الحرارة العالية لطلاءات TaC، أجرى الباحثون أبحاثًا على أنظمة الطلاء مثل أنظمة الطلاء المركبة، وأنظمة الطلاء المعززة بالمحلول الصلب، وأنظمة الطلاء المتدرجة. أنظمة الطلاء.
نظام الطلاء المركب يهدف إلى إغلاق شقوق طبقة واحدة. عادةً، يتم إدخال طبقات طلاء أخرى إلى السطح أو الطبقة الداخلية من TaC لتشكيل نظام طلاء مركب؛ يتمتع نظام طلاء تقوية المحلول الصلب HfC وZrC وما إلى ذلك بنفس الهيكل المكعب الذي يركز على الوجه مثل TaC، ويمكن أن يكون الكربيدان قابلان للذوبان بشكل لا نهائي في بعضهما البعض لتشكيل بنية محلول صلبة. طلاء Hf(Ta)C خالٍ من الشقوق وله التصاق جيد بالمواد المركبة C/C. يتمتع الطلاء بأداء ممتاز في مقاومة الاجتثاث؛ يشير طلاء التدرج لنظام الطلاء المتدرج إلى تركيز مكون الطلاء على طول اتجاه سمكه. يمكن للهيكل أن يقلل من الضغط الداخلي، ويحسن عدم تطابق معاملات التمدد الحراري، ويتجنب الشقوق.
(ثانيا) منتجات جهاز طلاء كربيد التنتالوم
وفقًا لإحصائيات وتوقعات QYR (Hengzhou Bozhi)، وصلت مبيعات سوق طلاء كربيد التنتالوم العالمية في عام 2021 إلى 1.5986 مليون دولار أمريكي (باستثناء منتجات أجهزة طلاء كربيد التنتالوم المنتجة ذاتيًا والمزودة ذاتيًا)، ولا تزال في أوائل مراحل تطور الصناعة.
1. حلقات التمدد البلوري والبوتقات المطلوبة لنمو البلورات: استنادًا إلى 200 فرن نمو بلوري لكل مؤسسة، تبلغ الحصة السوقية للأجهزة المطلية بـ TaC المطلوبة من قبل 30 شركة لنمو البلورات حوالي 4.7 مليار يوان.
2. صواني TaC: كل صينية يمكن أن تحمل 3 رقائق، كل صينية يمكن استخدامها لمدة شهر واحد، ويتم استهلاك صينية واحدة لكل 100 رقاقة. تتطلب 3 ملايين رقاقة 30000 صينية TaC، كل صينية تحتوي على حوالي 20000 قطعة، وهناك حاجة إلى حوالي 600 مليون كل عام.
3. سيناريوهات أخرى لخفض الكربون. مثل بطانة الفرن ذات درجة الحرارة العالية، فوهة الأمراض القلبية الوعائية، وأنابيب الفرن، وما إلى ذلك، حوالي 100 مليون.
وقت النشر: 02 يوليو 2024