Bahan Inti untuk Pertumbuhan SiC: Lapisan Tantalum Karbida

Metode yang umum digunakan untuk pembuatan kristal tunggal Silicon Carbide adalah metode PVT (Physical Vapour Transport), dimana prinsipnya adalah menempatkan bahan mentah di zona bersuhu tinggi, sedangkan benih kristal berada di area bersuhu relatif rendah. Bahan baku pada suhu yang lebih tinggi terurai, menghasilkan zat berbentuk gas secara langsung tanpa melalui fase cair. Zat gas ini, didorong oleh gradien suhu aksial, diangkut ke kristal benih, tempat terjadinya nukleasi dan pertumbuhan, menghasilkan kristalisasi kristal tunggal Silikon Karbida. Saat ini perusahaan asing seperti Cree, II-VI, SiCrystal, Dow, dan perusahaan dalam negeri seperti Tianyue Advanced, Tianke Heida, dan Century Jingxin menggunakan metode ini.

Silicon Carbide memiliki lebih dari 200 jenis kristal, dan kontrol yang tepat diperlukan untuk menghasilkan jenis kristal tunggal yang diinginkan (terutama jenis kristal 4H). Berdasarkan pengungkapan IPO Tianyue Advanced, tingkat hasil batang kristal adalah 41%, 38,57%, 50,73%, dan 49,90% dari tahun 2018 hingga H1 2021, sedangkan tingkat hasil substrat adalah 72,61%, 75,15%, 70,44%, dan 75,47%, dengan tingkat hasil keseluruhan hanya 37,7% saat ini. Dengan menggunakan metode PVT mainstream sebagai contoh, rendahnya tingkat hasil terutama disebabkan oleh kesulitan berikut dalam persiapan substrat SiC:

Kontrol medan suhu yang sulit: Batang kristal SiC perlu diproduksi pada suhu 2500°C, sedangkan kristal Silikon hanya memerlukan suhu 1500°C, sehingga memerlukan tungku kristal tunggal khusus. Kontrol suhu yang tepat selama produksi menimbulkan tantangan yang signifikan.

Kecepatan produksi lambat: Bahan Silikon tradisional tumbuh dengan kecepatan 300 milimeter per jam, sedangkan kristal tunggal Silikon Karbida hanya dapat tumbuh dengan kecepatan 400 mikrometer per jam, hampir 800 kali lebih lambat.

Persyaratan parameter berkualitas tinggi, kesulitan dalam kontrol real-time dari tingkat hasil kotak hitam: Parameter inti wafer SiC meliputi kepadatan mikrotube, kepadatan dislokasi, resistivitas, kelengkungan, kekasaran permukaan, dll. Selama pertumbuhan kristal, kontrol yang tepat dari silikon- Rasio terhadap Karbon, gradien suhu pertumbuhan, laju pertumbuhan kristal, tekanan aliran udara, dll., sangat penting untuk menghindari kontaminasi polikristalin, yang mengakibatkan kristal tidak memenuhi syarat. Pengamatan pertumbuhan kristal secara real-time dalam kotak hitam wadah grafit tidak memungkinkan, sehingga memerlukan kontrol medan termal yang tepat, pencocokan material, dan akumulasi pengalaman.

Kesulitan dalam perluasan diameter kristal: Dalam metode transportasi fase gas, teknologi perluasan untuk pertumbuhan kristal SiC menimbulkan tantangan yang signifikan, dengan kesulitan pertumbuhan meningkat secara geometris seiring dengan bertambahnya ukuran kristal.

Umumnya tingkat hasil rendah: Tingkat hasil rendah terdiri dari dua tautan - (1) Tingkat hasil batang kristal = keluaran batang kristal tingkat semikonduktor / (keluaran batang kristal tingkat semikonduktor + keluaran batang kristal tingkat non-semikonduktor) × 100%; (2) Tingkat hasil media = keluaran media yang memenuhi syarat / (keluaran media yang memenuhi syarat + keluaran media yang tidak memenuhi syarat) × 100%.

Untuk menyiapkan substrat Silikon Karbida berkualitas tinggi dan hasil tinggi, bahan medan panas yang baik sangat penting untuk kontrol suhu yang tepat. Kit wadah medan termal saat ini terutama terdiri dari komponen struktur grafit dengan kemurnian tinggi, yang digunakan untuk pemanasan, peleburan bubuk Karbon dan bubuk Silikon, dan isolasi. Bahan grafit memiliki kekuatan spesifik dan modulus spesifik yang unggul, ketahanan yang baik terhadap guncangan termal dan korosi, dll. Namun, bahan ini memiliki kelemahan seperti oksidasi di lingkungan oksigen suhu tinggi, ketahanan yang buruk terhadap amonia dan goresan, sehingga tidak mampu memenuhi persyaratan yang semakin ketat. persyaratan untuk bahan grafit dalam pertumbuhan kristal tunggal Silikon Karbida dan produksi wafer epitaksi. Oleh karena itu, pelapis suhu tinggi menyukainyaTantalum Karbidasedang mendapatkan popularitas.

1. Ciri-ciriLapisan Tantalum Karbida 

Keramik Tantalum Carbide (TaC) memiliki titik leleh tinggi 3880°C, dengan kekerasan tinggi (kekerasan Mohs 9-10), konduktivitas termal yang signifikan (22W·m-1·K−1), kekuatan lentur yang tinggi (340-400MPa ), dan koefisien muai panas yang rendah (6,6×10−6K−1). Ini menunjukkan stabilitas termal dan kimia yang sangat baik serta sifat fisik yang luar biasa, dengan kompatibilitas kimia dan mekanik yang baik dengan grafit,Bahan komposit C/C, dll. Oleh karena itu, pelapis TaC banyak digunakan dalam perlindungan termal ruang angkasa, pertumbuhan kristal tunggal, elektronik energi, peralatan medis, dan bidang lainnya.

Lapisan TaC pada grafitmemiliki ketahanan korosi kimia yang lebih baik daripada grafit telanjang atauGrafit berlapis SiC, dan dapat digunakan secara stabil pada suhu tinggi hingga 2600°C tanpa bereaksi dengan banyak elemen logam. Ini dianggap sebagai lapisan terbaik untuk pertumbuhan kristal tunggal semikonduktor generasi ketiga dan pengetsaan wafer, yang secara signifikan meningkatkan kontrol suhu dan pengotor dalam proses, sehingga menghasilkan produksi wafer Silikon Karbida berkualitas tinggi dan sejenisnya.wafer epitaksial. Ini sangat cocok untuk pertumbuhan peralatan MOCVD GaN atauKristal tunggal AlNdan pertumbuhan peralatan PVT kristal tunggal SiC, menghasilkan peningkatan kualitas kristal secara signifikan.

2. Keuntungan dariLapisan Tantalum Karbida 

Perangkat PenggunaanPelapis Tantalum Carbide (TaC).dapat mengatasi masalah cacat tepi kristal, meningkatkan kualitas pertumbuhan kristal, dan merupakan salah satu teknologi inti untuk “pertumbuhan cepat, pertumbuhan tebal, pertumbuhan besar.” Penelitian industri juga menunjukkan bahwa cawan lebur grafit berlapis TaC dapat mencapai pemanasan yang lebih seragam, memberikan kontrol proses yang sangat baik untuk pertumbuhan kristal tunggal SiC, sehingga secara signifikan mengurangi kemungkinan tepi kristal SiC membentuk polikristal. Selain itu,cawan lebur grafit berlapis TaCmenawarkan dua keuntungan utama:

(1) Pengurangan cacat SiC Dalam pengendalian cacat kristal tunggal SiC, biasanya ada tiga cara penting, yaitu mengoptimalkan parameter pertumbuhan dan menggunakan bahan sumber berkualitas tinggi (sepertiBubuk sumber SiC), dan mengganti cawan lebur grafit dengancawan lebur grafit berlapis TaCuntuk mencapai kualitas kristal yang baik.

Diagram skema wadah grafit konvensional (a) dan wadah berlapis TaC (b) 

Menurut penelitian dari Eastern European University di Korea, pengotor utama dalam pertumbuhan kristal SiC adalah nitrogen.cawan lebur grafit berlapis TaCdapat secara efektif membatasi penggabungan nitrogen ke dalam kristal SiC, sehingga mengurangi pembentukan cacat seperti tabung mikro, sehingga meningkatkan kualitas kristal. Penelitian telah menunjukkan bahwa dalam kondisi yang sama, konsentrasi pembawa diwafer SiCditanam dalam cawan lebur grafit konvensional dancawan lebur berlapis TaCadalah sekitar 4,5×1017/cm dan 7,6×1015/cm, masing-masing.

Perbandingan cacat pertumbuhan kristal tunggal SiC antara wadah grafit konvensional (a) dan wadah berlapis TaC (b)

(2) Memperpanjang umur cawan lebur grafit Saat ini, harga kristal SiC masih tinggi, dan bahan habis pakai grafit menyumbang sekitar 30% dari biayanya. Kunci untuk mengurangi biaya bahan habis pakai grafit terletak pada memperpanjang masa pakainya. Menurut data tim peneliti Inggris, pelapis Tantalum Carbide dapat memperpanjang umur komponen grafit hingga 30-50%. Dengan menggunakan grafit berlapis TaC, biaya kristal SiC dapat dikurangi sebesar 9%-15% melalui penggantianGrafit berlapis TaCsendiri.

3. Proses Pelapisan Tantalum Karbida 

Persiapan daripelapis TaCdapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori: metode fase padat, metode fase cair, dan metode fase gas. Metode fase padat terutama mencakup metode reduksi dan metode senyawa; metode fase cair meliputi metode garam cair, metode sol-gel, metode sintering bubur, metode penyemprotan plasma; metode fase gas mencakup metode deposisi uap kimia (CVD), infiltrasi uap kimia (CVI), dan deposisi uap fisik (PVD), dll. Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekurangan, dengan CVD menjadi metode yang paling matang dan banyak digunakan untuk menyiapkan pelapis TaC. Dengan perbaikan proses yang berkesinambungan, teknik-teknik baru seperti deposisi uap kimia kawat panas dan deposisi uap kimia berbantuan sinar ion telah dikembangkan.

Bahan berbasis karbon yang dimodifikasi lapisan TaC terutama mencakup grafit, serat karbon, dan bahan komposit karbon/karbon. Metode persiapanLapisan TaC pada grafittermasuk penyemprotan plasma, CVD, sintering bubur, dll.

Keuntungan metode CVD: Persiapanpelapis TaCmelalui CVD didasarkan padatantalum halida (TaX5) sebagai sumber tantalum dan hidrokarbon (CnHm) sebagai sumber karbon. Dalam kondisi tertentu, bahan-bahan ini terurai menjadi Ta dan C, yang bereaksi membentukpelapis TaC. CVD dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah, sehingga menghindari cacat dan penurunan sifat mekanik yang mungkin timbul selama persiapan atau perawatan pelapisan suhu tinggi. Komposisi dan struktur pelapis dapat dikontrol dengan CVD, sehingga menghasilkan kemurnian tinggi, kepadatan tinggi, dan ketebalan seragam. Lebih penting lagi, CVD menyediakan metode yang matang dan diadopsi secara luas untuk menyiapkan pelapis TaC berkualitas tinggikomposisi dan struktur yang mudah dikontrol.

Faktor-faktor utama yang mempengaruhi proses ini meliputi:

(1) Laju aliran gas (sumber tantalum, gas hidrokarbon sebagai sumber karbon, gas pembawa, gas pengencer Ar2, gas pereduksi H2):Perubahan laju aliran gas secara signifikan mempengaruhi suhu, tekanan, dan medan aliran gas di ruang reaksi, yang menyebabkan perubahan komposisi, struktur, dan sifat lapisan. Peningkatan aliran Ar akan memperlambat laju pertumbuhan lapisan dan memperkecil ukuran butir, sedangkan rasio massa molar TaCl5, H2, dan C3H6 mempengaruhi komposisi lapisan. Rasio molar H2 terhadap TaCl5 paling sesuai pada (15-20):1, dan rasio molar TaCl5 terhadap C3H6 idealnya mendekati 3:1. TaCl5 atau C3H6 yang berlebihan dapat mengakibatkan terbentuknya Ta2C atau Karbon bebas sehingga mempengaruhi kualitas wafer.

(2) Suhu pengendapan:Temperatur deposisi yang lebih tinggi menyebabkan laju deposisi lebih cepat, ukuran butiran lebih besar, dan lapisan lebih kasar. Selain itu, suhu dan laju dekomposisi hidrokarbon menjadi C dan TaCl5 menjadi Ta berbeda, sehingga memudahkan pembentukan Ta2C. Temperatur memiliki dampak yang signifikan terhadap bahan karbon yang dimodifikasi lapisan TaC, dengan temperatur yang lebih tinggi meningkatkan laju deposisi, ukuran butir, perubahan dari bentuk bola menjadi polihedral. Selain itu, suhu yang lebih tinggi mempercepat dekomposisi TaCl5, mengurangi karbon bebas, meningkatkan tegangan internal pada lapisan, dan dapat menyebabkan keretakan. Namun, suhu deposisi yang lebih rendah dapat mengurangi efisiensi deposisi lapisan, memperpanjang waktu deposisi, dan meningkatkan biaya bahan baku.

(3) Tekanan pengendapan:Tekanan pengendapan berkaitan erat dengan energi bebas permukaan bahan dan mempengaruhi waktu tinggal gas dalam ruang reaksi, sehingga mempengaruhi laju nukleasi dan ukuran butir lapisan. Ketika tekanan deposisi meningkat, waktu tinggal gas memanjang, sehingga reaktan memiliki lebih banyak waktu untuk melakukan reaksi nukleasi, meningkatkan laju reaksi, memperbesar butiran, dan menebalkan lapisan. Sebaliknya, menurunkan tekanan deposisi mengurangi waktu tinggal gas, memperlambat laju reaksi, mengurangi ukuran butiran, menipiskan lapisan, namun tekanan deposisi memiliki dampak minimal pada struktur kristal dan komposisi lapisan.

4. Tren Perkembangan Lapisan Tantalum Karbida 

Koefisien ekspansi termal TaC (6,6×10−6K−1) sedikit berbeda dari bahan berbasis karbon seperti grafit, serat karbon, bahan komposit C/C, menyebabkan lapisan TaC fase tunggal mudah retak atau delaminasi. Untuk lebih meningkatkan ketahanan oksidasi, stabilitas mekanik suhu tinggi, dan ketahanan korosi kimia pada lapisan TaC, para peneliti telah melakukan penelitian padapelapis komposit, pelapis penguat larutan padat, pelapis gradien, dll.

Pelapis komposit menutup retakan pada lapisan tunggal dengan memasukkan lapisan tambahan ke permukaan atau lapisan dalam TaC, sehingga membentuk sistem pelapisan komposit. Sistem penguatan larutan padat seperti HfC, ZrC, dll., memiliki struktur kubik berpusat muka yang sama seperti TaC, memungkinkan kelarutan timbal balik yang tak terbatas antara dua karbida untuk membentuk struktur larutan padat. Lapisan Hf(Ta)C bebas retak dan menunjukkan daya rekat yang baik dengan material komposit C/C. Lapisan ini menawarkan ketahanan terhadap luka bakar yang sangat baik. Pelapisan gradien mengacu pada pelapisan dengan distribusi gradien terus menerus dari komponen pelapis sepanjang ketebalannya. Struktur ini dapat mengurangi tekanan internal, meningkatkan masalah pencocokan koefisien ekspansi termal, dan mencegah pembentukan retakan.

5. Produk Perangkat Pelapis Tantalum Karbida

Menurut statistik dan perkiraan QYR (Hengzhou Bozhi), penjualan globalPelapis Tantalum Karbidamencapai 1,5986 juta USD pada tahun 2021 (tidak termasuk produk perangkat pelapis Tantalum Carbide yang diproduksi sendiri oleh Cree), menunjukkan bahwa industri ini masih dalam tahap awal pengembangan.

(1) Cincin ekspansi dan cawan lebur yang diperlukan untuk pertumbuhan kristal:Dihitung berdasarkan 200 tungku pertumbuhan kristal per perusahaan, pangsa pasarnyalapisan TaCperangkat yang dibutuhkan oleh 30 perusahaan pertumbuhan kristal adalah sekitar 4,7 miliar RMB.

(2) Baki TaC:Setiap baki dapat memuat 3 wafer, dengan masa pakai 1 bulan per baki. Setiap 100 wafer mengkonsumsi satu nampan. 3 juta wafer membutuhkan 30.000nampan TaC, dengan setiap baki memiliki sekitar 20.000 buah, dengan total sekitar 6 miliar per tahun.

(3) Skenario dekarbonisasi lainnya.Sekitar 1 miliar untuk lapisan tungku suhu tinggi, nozel CVD, pipa tungku, dll.**