현재 3세대 반도체는 반도체가 주도하고 있다.탄화규소. 소자 원가구조에서 기판이 47%, 에피택시가 23%를 차지한다. 두 가지를 합치면 약 70%를 차지하는데, 이는 가장 중요한 부분입니다.탄화규소장치 제조 산업 체인.
일반적으로 사용되는 준비 방법탄화규소단결정은 PVT(물리적 증기 수송) 방식입니다. 원료는 고온대에서, 종자결정은 상대적으로 저온대에서 만드는 원리이다. 더 높은 온도에서 원료는 분해되어 액상이 아닌 기상 물질을 직접 생성합니다. 이러한 기상 물질은 축방향 온도 구배에 따라 종자 결정으로 이동하고, 종자 결정에서 핵을 생성하고 성장하여 탄화규소 단결정을 형성합니다. 현재 Cree, II-VI, SiCrystal, Dow 등 외국 기업과 Tianyue Advanced, Tianke Heda, Century Golden Core 등 국내 기업이 모두 이 방법을 사용하고 있습니다.
탄화규소에는 200개 이상의 결정 형태가 있으며, 필요한 단결정 형태를 생성하려면 매우 정밀한 제어가 필요합니다(주류는 4H 결정 형태입니다). Tianyue Advanced의 투자설명서에 따르면 2018~2020년과 2021년 상반기 회사의 수정봉 수율은 각각 41%, 38.57%, 50.73%, 49.90%였으며, 기판 수율은 각각 72.61%, 75.15%, 70.44%, 75.47%였다. 현재 종합수익률은 37.7%에 불과하다. 주류 PVT 방법을 예로 들면, 낮은 수율은 주로 SiC 기판 준비 시 다음과 같은 어려움으로 인해 발생합니다.
1. 온도장 제어의 어려움: SiC 결정봉은 2500℃의 고온에서 생산해야 하는 반면, 실리콘 결정은 1500℃만 필요하므로 특수 단결정로가 필요하며 생산 중에 성장 온도를 정밀하게 제어해야 합니다. , 제어하기가 매우 어렵습니다.
2. 느린 생산 속도: 전통적인 실리콘 재료의 성장 속도는 시간당 300mm이지만 탄화 규소 단결정은 시간당 400미크론만 성장할 수 있으며 이는 거의 800배의 차이입니다.
3. 우수한 제품 매개변수에 대한 요구 사항이 높으며 블랙박스 수율은 제때에 제어하기 어렵습니다. SiC 웨이퍼의 핵심 매개변수에는 마이크로튜브 밀도, 전위 밀도, 저항률, 뒤틀림, 표면 거칠기 등이 포함됩니다. 결정 성장 과정에서 실리콘-탄소 비율, 성장 온도 구배, 결정 성장 속도 및 기류 압력과 같은 매개변수를 정확하게 제어하는 데 필요합니다. 그렇지 않으면 다형성 함유물이 발생하여 품질이 좋지 않은 결정이 생성될 가능성이 높습니다. 흑연 도가니의 블랙박스에서는 결정 성장 상태를 실시간으로 관찰하는 것이 불가능하며, 매우 정밀한 열장 제어, 재료 매칭, 경험 축적이 필요합니다.
4. 결정 팽창의 어려움: 기상 수송법에서는 SiC 결정 성장의 팽창 기술이 매우 어렵습니다. 결정 크기가 커질수록 성장 난이도는 기하급수적으로 증가합니다.
5. 일반적으로 낮은 수율: 낮은 수율은 주로 두 가지 링크로 구성됩니다. (1) 수정봉 수율 = 반도체급 수정봉 출력/(반도체급 수정봉 출력 + 비반도체급 수정봉 출력) × 100%; (2) 기판 수율 = 적격 기판 생산량/(적격 기판 생산량 + 비적격 기판 생산량) × 100%.
고품질, 고수율의 준비에실리콘 카바이드 기판, 코어는 생산 온도를 정확하게 제어하기 위해 더 나은 열장 재료가 필요합니다. 현재 사용되는 열장 도가니 키트는 주로 탄소 분말과 실리콘 분말을 가열 및 녹여 보온하는 데 사용되는 고순도 흑연 구조 부품입니다. 흑연재료는 비강도와 비계수가 높고 열충격 저항성과 내식성이 좋은 특성을 가지고 있으나 고온의 산소 환경에서 쉽게 산화되고 암모니아에 강하지 않으며 내스크래치성이 떨어지는 단점이 있다. 탄화규소 단결정 성장 과정과실리콘 카바이드 에피택셜 웨이퍼생산 과정에서 흑연 재료 사용에 대한 점점 더 엄격해지는 사람들의 요구 사항을 충족하기가 어렵기 때문에 흑연 재료의 개발과 실제 적용이 심각하게 제한됩니다. 따라서 탄탈륨 카바이드와 같은 고온 코팅이 등장하기 시작했습니다.
2. 특징탄탈륨 카바이드 코팅
TaC 세라믹은 융점 3880℃에 달하고 경도가 높으며(모스 경도 9~10), 열전도율이 크며(22W·m-1·K−1), 굽힘강도가 크고(340~400MPa), 열팽창이 작습니다. 계수(6.6×10-6K-1)를 가지며 열화학적 안정성과 물리적 특성이 우수합니다. 흑연 및 C/C 복합재료와 화학적 친화성과 기계적 친화성이 우수합니다. 따라서 TaC 코팅은 항공우주 열 보호, 단결정 성장, 에너지 전자 및 의료 장비에 널리 사용됩니다.
TaC 코팅흑연은 순수 흑연이나 SiC 코팅 흑연보다 화학적 내식성이 우수하고 2600°의 고온에서 안정적으로 사용할 수 있으며 많은 금속 원소와 반응하지 않습니다. 3세대 반도체 단결정 성장 및 웨이퍼 식각 시나리오에서 최고의 코팅입니다. 공정의 온도 및 불순물 제어를 크게 향상시키고 준비할 수 있습니다.고품질 실리콘 카바이드 웨이퍼그리고 관련에피택셜 웨이퍼. 특히 MOCVD 장비로 GaN이나 AlN 단결정을 성장시키고, PVT 장비로 SiC 단결정을 성장시키는데 적합하며, 성장된 단결정의 품질이 크게 향상됩니다.
III. 탄탈륨 카바이드 코팅 장치의 장점
탄탈륨 카바이드 TaC 코팅을 사용하면 결정 가장자리 결함 문제를 해결하고 결정 성장 품질을 향상시킬 수 있습니다. “빠르게 성장하고, 두꺼워지고, 오래 성장한다”는 핵심 기술 방향 중 하나입니다. 업계 조사에 따르면 탄탈륨 카바이드 코팅 흑연 도가니는 더욱 균일한 가열을 달성할 수 있어 SiC 단결정 성장을 위한 우수한 공정 제어를 제공하고 SiC 결정 가장자리에서 다결정이 형성될 확률을 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 또한 탄탈륨 카바이드 흑연 코팅에는 두 가지 주요 장점이 있습니다.
(I) SiC 결함 감소
SiC 단결정 결함을 제어하는 데에는 일반적으로 세 가지 중요한 방법이 있습니다. 탄탈륨 카바이드 코팅 흑연 도가니를 사용하면 성장 매개변수와 고품질 소스 재료(예: SiC 소스 분말)를 최적화하는 것 외에도 우수한 결정 품질을 얻을 수 있습니다.
기존 흑연 도가니(a)와 TAC 코팅 도가니(b)의 개략도
한국 동유럽 대학의 연구에 따르면 SiC 결정 성장의 주요 불순물은 질소이며 탄탈륨 카바이드 코팅 흑연 도가니는 SiC 결정의 질소 혼입을 효과적으로 제한하여 마이크로 파이프와 같은 결함 발생을 줄이고 결정을 향상시킬 수 있습니다. 품질. 연구에 따르면 동일한 조건에서 기존 흑연 도가니와 TAC 코팅 도가니에서 성장한 SiC 웨이퍼의 캐리어 농도는 각각 약 4.5×1017/cm 및 7.6×1015/cm인 것으로 나타났습니다.
기존 흑연 도가니(a)와 TAC 코팅 도가니(b)에서 성장한 SiC 단결정의 결함 비교
(II) 흑연 도가니의 수명 향상
현재 SiC 결정 가격은 여전히 높은 수준이며, 그 중 흑연 소모품 비용이 약 30%를 차지합니다. 흑연 소모품 비용을 절감하는 열쇠는 수명을 늘리는 것입니다. 영국 연구팀의 데이터에 따르면 탄탈륨 카바이드 코팅은 흑연 부품의 수명을 30~50% 연장할 수 있습니다. 이 계산에 따르면, 탄탈륨 카바이드 코팅 흑연을 교체하는 것만으로도 SiC 결정 비용을 9%-15%까지 줄일 수 있습니다.
4. 탄탈륨 카바이드 코팅 준비 공정
TaC 코팅 준비 방법은 고상법, 액상법, 기상법의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 고상법에는 주로 환원법과 화학적 방법이 포함됩니다. 액상법에는 용융염법, 졸겔법(Sol-Gel), 슬러리소결법, 플라즈마 분사법 등이 있으며; 기상 방법에는 화학 기상 증착(CVD), 화학 기상 증착(CVI) 및 물리 기상 증착(PVD)이 포함됩니다. 다양한 방법에는 장점과 단점이 있습니다. 그 중 CVD는 TaC 코팅을 준비하는 데 비교적 성숙하고 널리 사용되는 방법입니다. 공정의 지속적인 개선으로 열선 화학 기상 증착 및 이온빔 보조 화학 기상 증착과 같은 새로운 공정이 개발되었습니다.
TaC 코팅 개질 탄소계 소재에는 주로 흑연, 탄소섬유, 탄소/탄소 복합소재가 포함됩니다. 흑연에 TaC 코팅을 제조하는 방법에는 플라즈마 분사, CVD, 슬러리 소결 등이 있습니다.
CVD 방법의 장점: TaC 코팅을 제조하기 위한 CVD 방법은 탄탈륨 소스로 탄탈륨 할로겐화물(TaX5)과 탄소 소스로 탄화수소(CnHm)를 기반으로 합니다. 특정 조건에서 이들은 각각 Ta와 C로 분해된 후 서로 반응하여 TaC 코팅을 얻습니다. CVD 방법은 더 낮은 온도에서 수행될 수 있으므로 코팅의 고온 준비 또는 처리로 인해 발생하는 결함 및 기계적 특성 감소를 어느 정도 방지할 수 있습니다. 코팅의 조성과 구조를 제어할 수 있으며, 고순도, 고밀도, 균일한 두께라는 장점이 있습니다. 더 중요한 것은 CVD로 준비된 TaC 코팅의 구성과 구조를 설계하고 쉽게 제어할 수 있다는 것입니다. 이는 고품질 TaC 코팅을 제조하기 위해 비교적 성숙되고 널리 사용되는 방법입니다.
프로세스에 영향을 미치는 핵심 요소는 다음과 같습니다.
A. 가스 유량(탄탈륨 소스, 탄소 소스인 탄화수소 가스, 운반 가스, 희석 가스 Ar2, 환원 가스 H2): 가스 유량의 변화는 온도장, 압력장 및 가스 흐름장에 큰 영향을 미칩니다. 반응 챔버에 영향을 미쳐 코팅의 구성, 구조 및 성능이 변경됩니다. Ar 유량을 늘리면 코팅 성장 속도가 느려지고 입자 크기가 감소하는 반면 TaCl5, H2 및 C3H6의 몰 질량비는 코팅 조성에 영향을 미칩니다. H2와 TaCl5의 몰비는 (15-20):1로 더 적합합니다. TaCl5 대 C3H6의 몰비는 이론적으로 3:1에 가깝습니다. 과도한 TaCl5 또는 C3H6는 Ta2C 또는 자유 탄소의 형성을 유발하여 웨이퍼 품질에 영향을 미칩니다.
B. 증착 온도: 증착 온도가 높을수록 증착 속도가 빨라지고 입자 크기가 커지고 코팅이 거칠어집니다. 또한, 탄화수소가 C로 분해되는 것과 TaCl5가 Ta로 분해되는 온도와 속도가 다르며, Ta와 C가 Ta2C를 형성할 가능성이 더 높습니다. 온도는 TaC 코팅 개질 탄소 재료에 큰 영향을 미칩니다. 증착 온도가 증가함에 따라 증착 속도가 증가하고 입자 크기가 증가하며 입자 모양이 구형에서 다면체로 변경됩니다. 또한, 증착 온도가 높을수록 TaCl5의 분해가 빨라지고, Free C가 적어지고, 코팅에 응력이 커지며, 균열이 쉽게 발생하게 됩니다. 그러나 증착 온도가 낮으면 코팅 증착 효율이 낮아지고 증착 시간이 길어지며 원자재 비용이 높아집니다.
C. 증착 압력: 증착 압력은 재료 표면의 자유 에너지와 밀접하게 관련되어 있으며 반응 챔버의 가스 체류 시간에 영향을 미치므로 코팅의 핵 생성 속도와 입자 크기에 영향을 미칩니다. 증착 압력이 증가함에 따라 가스 체류 시간이 길어지고, 반응물이 핵 생성 반응을 겪는 데 더 많은 시간이 걸리고, 반응 속도가 증가하고, 입자가 커지고, 코팅이 두꺼워집니다. 반대로 증착 압력이 감소하면 반응 가스 체류 시간이 짧고 반응 속도가 느려지며 입자가 작아지고 코팅이 얇아지지만 증착 압력은 코팅의 결정 구조 및 조성에 거의 영향을 미치지 않습니다.
V. 탄탈륨 카바이드 코팅 개발 동향
TaC의 열팽창계수(6.6×10-6K-1)는 흑연, 탄소섬유, C/C 복합재료 등 탄소계 소재와는 다소 차이가 있어 단상 TaC 코팅이 깨지기 쉽고, 떨어지는. TaC 코팅의 내마모성 및 내산화성, 고온 기계적 안정성, 고온 화학적 내식성을 더욱 향상시키기 위해 연구진은 복합 코팅 시스템, 고용체 강화 코팅 시스템, 그래디언트 등의 코팅 시스템에 대한 연구를 진행해 왔습니다. 코팅 시스템.
복합 코팅 시스템은 단일 코팅의 균열을 메우는 것입니다. 일반적으로 복합 코팅 시스템을 형성하기 위해 TaC의 표면이나 내부 층에 다른 코팅이 도입됩니다. 고용강화 코팅계 HfC, ZrC 등은 TaC와 동일한 면심 입방구조를 가지며, 두 탄화물이 서로 무한히 용해되어 고용구조를 형성할 수 있다. Hf(Ta)C 코팅은 균열이 없으며 C/C 복합 재료에 대한 접착력이 좋습니다. 코팅은 탁월한 절삭 방지 성능을 가지고 있습니다. 구배 코팅 시스템 구배 코팅은 두께 방향에 따른 코팅 성분 농도를 나타냅니다. 구조는 내부 응력을 줄이고 열팽창 계수의 불일치를 개선하며 균열을 방지할 수 있습니다.
(II) 탄탈륨 카바이드 코팅 장치 제품
QYR(Hengzhou Bozhi)의 통계 및 예측에 따르면 2021년 전 세계 탄탈륨 카바이드 코팅 시장 매출은 159억 8,600만 달러(Cree 자체 생산 및 자체 공급 탄탈륨 카바이드 코팅 장치 제품 제외)에 이르렀으며 아직 초기 단계에 있습니다. 산업 발전 단계.
1. 결정 성장에 필요한 결정 확장 링 및 도가니: 기업 당 200개의 결정 성장로를 기준으로 30개의 결정 성장 회사에 필요한 TaC 코팅 장치의 시장 점유율은 약 47억 위안입니다.
2. TaC 트레이: 트레이 하나당 웨이퍼 3장을 담을 수 있고, 트레이 하나당 1개월간 사용할 수 있으며, 웨이퍼 100개당 트레이 1개가 소모된다. 300만 개의 웨이퍼에는 30,000개의 TaC 트레이가 필요하며, 각 트레이는 약 20,000개이며 매년 약 6억 개가 필요합니다.
3. 기타 탄소 감소 시나리오. 고온 용광로 라이닝, CVD 노즐, 용광로 파이프 등 약 1억 개.
게시 시간: 2024년 7월 2일