現在、第 3 世代の半導体は次のようなものに支配されています。炭化ケイ素。デバイスのコスト構成は基板が47％、エピタキシーが23％を占める。この 2 つを合わせると約 70% を占め、これが最も重要な部分です。炭化ケイ素デバイス製造産業チェーン。
一般的に使用される準備方法炭化ケイ素単結晶はPVT（物理的蒸気輸送）法です。高温帯で原料を作り、比較的低温帯で種結晶を作る原理です。原料は高温で分解し、液相を持たずに直接気相物質を生成します。これらの気相物質は、軸方向の温度勾配の駆動下で種結晶に輸送され、種結晶で核生成および成長して炭化ケイ素単結晶を形成する。現在、Cree、II-VI、SiCrystal、Dow などの外国企業と、Tianyue Advanced、Tianke Heda、Century Golden Core などの国内企業はすべてこの方法を使用しています。
炭化ケイ素の結晶形は200以上あり、必要な単結晶形（主流は4H結晶形）を生成するには非常に精密な制御が必要です。 Tianyue Advancedの目論見書によると、2018～2020年と2021年上半期の同社の結晶ロッドの歩留まりはそれぞれ41％、38.57％、50.73％、49.90％で、基板の歩留まりはそれぞれ72.61％、75.15％、70.44％、75.47％だった。総合利回りは現在37.7％に過ぎない。主流の PVT 法を例にとると、歩留まりが低いのは主に、SiC 基板の準備における次の困難によるものです。
1. 温度場制御の難しさ：SiC結晶棒は2500℃の高温で製造する必要があるが、シリコン結晶は1500℃しか必要ないため、特別な単結晶炉が必要であり、製造中に成長温度を正確に制御する必要がある、これを制御するのは非常に困難です。
2. 生産速度が遅い: 従来のシリコン材料の成長速度は 1 時間あたり 300 mm ですが、炭化ケイ素単結晶は 1 時間あたり 400 ミクロンしか成長できず、その差はほぼ 800 倍です。
3. 優れた製品パラメータに対する高い要件があり、ブラック ボックスの歩留まりを時間内に制御するのは困難です。SiC ウェーハの中核となるパラメータには、マイクロチューブ密度、転位密度、抵抗率、反り、表面粗さなどが含まれます。結晶成長プロセスでは、シリコンと炭素の比率、成長温度勾配、結晶成長速度、エアフロー圧力などのパラメータを正確に制御するために必要です。そうしないと、多形性の介在物が発生する可能性が高く、不適格な結晶が生成されます。黒鉛るつぼのブラックボックス内では結晶の成長状況をリアルタイムに観察することができず、非常に精密な熱場制御や材料マッチング、経験の蓄積が必要となります。
4. 結晶拡大の難しさ：気相輸送法によるSiC結晶成長の拡大技術は非常に困難です。結晶サイズが大きくなるにつれて、その成長の難易度は指数関数的に増加します。
5. 一般的に歩留まりが低い: 歩留まりが低いことは、主に 2 つのリンクで構成されます。 (1) 結晶ロッドの歩留まり = 半導体グレードの結晶ロッドの出力 / (半導体グレードの結晶ロッドの出力 + 非半導体グレードの結晶ロッドの出力) × 100%。 (2) 基板収率 = 適格な基板の出力/(適格な基板の出力 + 不適格な基板の出力) × 100%。
高品質、高収量の仕込み中炭化ケイ素基板、コアには、生産温度を正確に制御するために、より優れた熱フィールド材料が必要です。現在使用されている熱フィールドるつぼキットは、主に高純度グラファイト構造部品であり、カーボン粉末とシリコン粉末を加熱、溶融し、保温するために使用されます。黒鉛材料は、比強度と比弾性率が高く、耐熱衝撃性や耐食性に優れるという特徴がありますが、高温の酸素環境では酸化しやすい、アンモニアに強くない、耐傷性が低いなどの欠点があります。炭化珪素単結晶の成長過程において、炭化ケイ素エピタキシャルウェーハ製造段階では、黒鉛材料の使用に対する人々のますます厳しくなる要件を満たすことが困難になり、その開発と実用化が大幅に制限されています。したがって、炭化タンタルなどの高温コーティングが登場し始めています。
2. の特徴炭化タンタルコーティング
TaCセラミックは、融点が3880℃に達し、硬度が高く（モース硬度9～10）、熱伝導率が大きく（22W・m-1・K－1）、曲げ強度が大きく（340～400MPa）、熱膨張が小さいという特性を持っています。係数（6.6×10−6K−1）を有し、優れた熱化学的安定性と優れた物性を示します。黒鉛およびC/C複合材料との化学的適合性および機械的適合性が良好です。したがって、TaC コーティングは航空宇宙の熱保護、単結晶成長、エネルギーエレクトロニクス、医療機器などで広く使用されています。
TaCコーティング黒鉛は裸黒鉛やSiC被覆黒鉛に比べて耐薬品性に優れ、2600℃の高温でも安定して使用でき、多くの金属元素と反応しません。これは、第 3 世代の半導体単結晶成長およびウェーハエッチングのシナリオに最適なコーティングです。プロセスおよび準備中の温度と不純物の制御を大幅に改善できます。高品質炭化ケイ素ウェーハそして関連するエピタキシャルウェーハ。特にMOCVD装置によるGaNやAlN単結晶の成長、PVT装置によるSiC単結晶の成長に適しており、成長した単結晶の品質が大幅に向上します。
Ⅲ．炭化タンタルコーティングデバイスの利点
炭化タンタル TaC コーティングを使用すると、結晶エッジの欠陥の問題が解決され、結晶成長の品質が向上します。 「速く成長し、太く成長し、長く成長する」という技術的方向性の中核の一つです。業界の調査では、炭化タンタルでコーティングされたグラファイトるつぼはより均一な加熱を達成できるため、SiC 単結晶成長に優れたプロセス制御が提供され、SiC 結晶の端で多結晶が形成される確率が大幅に減少することが示されています。さらに、炭化タンタル グラファイト コーティングには 2 つの大きな利点があります。
(I) SiC欠陥の低減
SiC 単結晶欠陥の制御に関しては、通常 3 つの重要な方法があります。成長パラメータと高品質のソース材料 (SiC ソース粉末など) を最適化することに加えて、炭化タンタル コーティングされたグラファイトるつぼを使用すると、良好な結晶品質も達成できます。
従来の黒鉛るつぼ（a）とTACコーティングされたるつぼ（b）の概略図
韓国の東ヨーロッパ大学の研究によると、SiC結晶成長における主な不純物は窒素であり、炭化タンタルでコーティングされた黒鉛るつぼはSiC結晶への窒素の混入を効果的に制限することができ、それによってマイクロパイプなどの欠陥の発生を減らし、結晶を改善することができます。品質。研究によると、同じ条件下で、従来のグラファイトるつぼおよびTACコーティングされたるつぼで成長させたSiCウェハのキャリア濃度は、それぞれ約4.5×1017/cmおよび7.6×1015/cmであることが示されている。
従来の黒鉛るつぼ (a) と TAC コーティングされたるつぼ (b) で育成された SiC 単結晶の欠陥の比較
(Ⅱ)黒鉛るつぼの寿命向上
現在、SiC結晶の価格は高止まりしており、そのうち黒鉛消耗品の価格が約3割を占めています。グラファイト消耗品のコストを削減する鍵は、その耐用年数を延ばすことです。英国の研究チームのデータによると、炭化タンタルコーティングはグラファイト部品の耐用年数を 30 ～ 50% 延ばすことができます。この計算によると、炭化タンタルでコーティングされたグラファイトを置き換えるだけで、SiC 結晶のコストを 9% ～ 15% 削減できます。
4. 炭化タンタルコーティングの準備プロセス
TaCコーティングの作製方法は、固相法、液相法、気相法の3つに分類できます。固相法には主に還元法と化学法があります。液相法としては、溶融塩法、ゾルゲル法（Sol-Gel）、スラリー焼結法、プラズマ溶射法などが挙げられる。気相法には、化学気相成長法 (CVD)、化学気相浸透法 (CVI)、および物理気相成長法 (PVD) が含まれます。さまざまな方法には、それぞれ独自の長所と短所があります。その中でも、CVD は比較的成熟しており、TaC コーティングを調製するために広く使用されている方法です。プロセスの継続的な改善により、熱線化学蒸着やイオンビーム支援化学蒸着などの新しいプロセスが開発されました。
TaC コーティング修飾炭素系材料には、主にグラファイト、炭素繊維、炭素/炭素複合材料が含まれます。グラファイト上に TaC コーティングを作成する方法には、プラズマ溶射、CVD、スラリー焼結などが含まれます。
CVD 法の利点: TaC コーティングを調製するための CVD 法は、タンタル源としてハロゲン化タンタル (TaX5)、炭素源として炭化水素 (CnHm) をベースにしています。一定の条件下でそれぞれTaとCに分解され、さらに相互に反応してTaC皮膜が得られます。 CVD法は低温で実行できるため、高温でのコーティングの作製や処理に起因する欠陥や機械的特性の低下をある程度回避できます。コーティングの組成と構造は制御可能であり、高純度、高密度、均一な厚さという利点があります。さらに重要なことは、CVD によって製造される TaC コーティングの組成と構造を設計し、容易に制御できることです。これは比較的成熟しており、高品質の TaC コーティングを調製するために広く使用されている方法です。
プロセスに影響を与える中心的な要素には次のものがあります。
A. ガス流量（タンタル源、炭素源としての炭化水素ガス、キャリアガス、希釈ガス Ar2、還元ガス H2）： ガス流量の変化は、温度場、圧力場、ガス流場に大きな影響を与えます。反応チャンバーの変化により、コーティングの組成、構造、性能が変化します。 Ar 流量を増やすと、コーティングの成長速度が遅くなり、粒子サイズが小さくなりますが、TaCl5、H2、および C3H6 のモル質量比がコーティング組成に影響します。 H2対TaCl5のモル比は(15〜20):1であり、これがより適切である。 TaCl5 と C3H6 のモル比は理論的には 3:1 に近いです。過剰な TaCl5 または C3H6 は、Ta2C または遊離炭素の形成を引き起こし、ウェーハの品質に影響を与えます。
B. 堆積温度: 堆積温度が高いほど、堆積速度は速くなり、粒子サイズは大きくなり、コーティングは粗くなります。また、炭化水素のCへの分解とTaCl5のTaへの分解では温度や速度が異なり、TaとCはTa2Cを形成しやすい。温度はTaCコーティング改質カーボン材料に大きな影響を与えます。堆積温度が上昇すると、堆積速度が増加し、粒子サイズが増加し、粒子の形状が球形から多面体に変化します。また、成膜温度が高くなるとTaCl5の分解が早くなり、遊離Cが少なくなり、塗膜内の応力が大きくなり、クラックが発生しやすくなります。ただし、堆積温度が低いと、コーティングの堆積効率が低下し、堆積時間が長くなり、原材料コストが高くなります。
C. 堆積圧力: 堆積圧力は材料表面の自由エネルギーと密接に関係しており、反応チャンバー内のガス滞留時間に影響を及ぼし、それによってコーティングの核生成速度と粒子サイズに影響を与えます。堆積圧力が増加すると、ガスの滞留時間が長くなり、反応物質が核生成反応を受ける時間が長くなり、反応速度が増加し、粒子が大きくなり、コーティングが厚くなります。逆に、堆積圧力が低下すると、反応ガスの滞留時間が短くなり、反応速度が遅くなり、粒子が小さくなり、コーティングが薄くなりますが、堆積圧力はコーティングの結晶構造や組成にほとんど影響を与えません。
V. 炭化タンタルコーティングの開発動向
TaC の熱膨張係数 (6.6×10−6K−1) は、黒鉛、炭素繊維、C/C 複合材料などの炭素系材料の熱膨張係数とは多少異なるため、単相 TaC コーティングは亀裂や亀裂が発生しやすくなります。落ちていく。 TaCコーティングの耐摩耗性と耐酸化性、高温機械的安定性、および高温化学腐食耐性をさらに改善するために、研究者は複合コーティングシステム、固溶体強化コーティングシステム、および勾配コーティングシステムなどのコーティングシステムに関する研究を行ってきました。コーティングシステム。
複合コーティングシステムは、単一コーティングの亀裂を閉じることを目的としています。通常、他のコーティングが TaC の表面または内層に導入され、複合コーティングシステムが形成されます。固溶強化コーティング系のHfC、ZrCなどはTaCと同じ面心立方構造を持ち、2つの炭化物は互いに無限に溶けて固溶体構造を形成することができます。 Hf(Ta)C コーティングには亀裂がなく、C/C 複合材料への密着性が良好です。コーティングは優れた耐アブレーション性能を持っています。勾配コーティングシステム 勾配コーティングとは、その厚さ方向に沿ったコーティング成分の濃度を指します。この構造により、内部応力が軽減され、熱膨張係数の不一致が改善され、亀裂が回避されます。
(II) 炭化タンタルコーティング装置製品
QYR（恆州博志）の統計と予測によると、2021年の世界の炭化タンタルコーティング市場の売上高は15億986万米ドルに達し（Creeの自社生産および自社供給の炭化タンタルコーティング装置製品を除く）、まだ初期段階にある。産業発展の段階。
1. 結晶成長に必要な結晶拡張リングとるつぼ：企業あたり 200 台の結晶成長炉に基づくと、結晶成長企業 30 社が必要とする TaC コーティング装置の市場シェアは約 47 億元です。
2. TaC トレイ: 各トレイには 3 枚のウェーハを搭載でき、各トレイは 1 か月間使用でき、100 枚のウェーハごとに 1 つのトレイが消費されます。 300 万枚のウェーハには 30,000 個の TaC トレイが必要で、各トレイは約 20,000 個で、年間約 6 億個必要になります。
3. 他の炭素削減シナリオ。高温炉ライニング、CVDノズル、炉パイプなど約1億本。
投稿日時: 2024 年 7 月 2 日