SiC वृद्धि के लिए मुख्य सामग्री: टैंटलम कार्बाइड कोटिंग

सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल तैयार करने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली विधि पीवीटी (भौतिक वाष्प परिवहन) विधि है, जहां सिद्धांत में कच्चे माल को उच्च तापमान वाले क्षेत्र में रखना शामिल है, जबकि बीज क्रिस्टल अपेक्षाकृत कम तापमान वाले क्षेत्र में होता है। उच्च तापमान पर कच्चा माल विघटित हो जाता है, जिससे तरल चरण से गुजरे बिना सीधे गैसीय पदार्थ बनते हैं। अक्षीय तापमान प्रवणता द्वारा संचालित इन गैसीय पदार्थों को बीज क्रिस्टल में ले जाया जाता है, जहां न्यूक्लियेशन और विकास होता है, जिसके परिणामस्वरूप सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल का क्रिस्टलीकरण होता है। वर्तमान में, क्री, II-VI, SiCrystal, Dow जैसी विदेशी कंपनियाँ और Tianyue Advanced, Tianke Heida और सेंचुरी जिंगक्सिन जैसी घरेलू कंपनियाँ इस पद्धति का उपयोग करती हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड में 200 से अधिक क्रिस्टल प्रकार होते हैं, और वांछित एकल क्रिस्टल प्रकार (मुख्य रूप से 4H क्रिस्टल प्रकार) उत्पन्न करने के लिए सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। तियान्यू एडवांस्ड के आईपीओ प्रकटीकरण के अनुसार, क्रिस्टल रॉड उपज दर 2018 से H1 2021 तक 41%, 38.57%, 50.73% और 49.90% थी, जबकि सब्सट्रेट उपज दर 72.61%, 75.15%, 70.44% और 75.47% थी। वर्तमान में कुल उपज दर केवल 37.7% है। उदाहरण के तौर पर मुख्यधारा पीवीटी पद्धति का उपयोग करते हुए, कम उपज दर मुख्य रूप से SiC सब्सट्रेट तैयारी में निम्नलिखित कठिनाइयों के कारण है:

कठिन तापमान क्षेत्र नियंत्रण: SiC क्रिस्टल छड़ों को 2500°C पर उत्पादित करने की आवश्यकता होती है, जबकि सिलिकॉन क्रिस्टल को केवल 1500°C की आवश्यकता होती है, जिसके लिए विशेष एकल क्रिस्टल भट्टियों की आवश्यकता होती है। उत्पादन के दौरान सटीक तापमान नियंत्रण महत्वपूर्ण चुनौतियाँ पेश करता है।

धीमी उत्पादन गति: पारंपरिक सिलिकॉन सामग्री 300 मिलीमीटर प्रति घंटे की दर से बढ़ती है, जबकि सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल केवल 400 माइक्रोमीटर प्रति घंटे की दर से बढ़ सकते हैं, जो लगभग 800 गुना धीमी है।

उच्च गुणवत्ता वाले मापदंडों की आवश्यकता, ब्लैक बॉक्स उपज दर के वास्तविक समय नियंत्रण में कठिनाई: SiC वेफर्स के मुख्य मापदंडों में माइक्रोट्यूब घनत्व, अव्यवस्था घनत्व, प्रतिरोधकता, वक्रता, सतह खुरदरापन आदि शामिल हैं। क्रिस्टल विकास के दौरान, सिलिकॉन का सटीक नियंत्रण- पॉलीक्रिस्टलाइन संदूषण से बचने के लिए कार्बन अनुपात, विकास तापमान प्रवणता, क्रिस्टल विकास दर, वायु प्रवाह दबाव इत्यादि आवश्यक है, जिसके परिणामस्वरूप अयोग्य क्रिस्टल बनते हैं। ग्रेफाइट क्रूसिबल के ब्लैक बॉक्स में क्रिस्टल की वृद्धि का वास्तविक समय में अवलोकन संभव नहीं है, जिसके लिए सटीक थर्मल क्षेत्र नियंत्रण, सामग्री मिलान और संचित अनुभव की आवश्यकता होती है।

क्रिस्टल व्यास विस्तार में कठिनाई: गैस-चरण परिवहन विधि के तहत, SiC क्रिस्टल विकास के लिए विस्तार तकनीक महत्वपूर्ण चुनौतियां पेश करती है, क्रिस्टल आकार बढ़ने के साथ विकास कठिनाई ज्यामितीय रूप से बढ़ती है।

आम तौर पर कम उपज दर: कम उपज दर में दो लिंक शामिल होते हैं - (1) क्रिस्टल रॉड उपज दर = अर्धचालक-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट / (अर्धचालक-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट + गैर-अर्धचालक-ग्रेड क्रिस्टल रॉड आउटपुट) × 100%; (2) सब्सट्रेट उपज दर = योग्य सब्सट्रेट आउटपुट / (योग्य सब्सट्रेट आउटपुट + अयोग्य सब्सट्रेट आउटपुट) × 100%।

उच्च गुणवत्ता, उच्च उपज वाले सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट तैयार करने के लिए, सटीक तापमान नियंत्रण के लिए एक अच्छी ताप क्षेत्र सामग्री आवश्यक है। वर्तमान थर्मल फील्ड क्रूसिबल किट में मुख्य रूप से उच्च शुद्धता वाले ग्रेफाइट संरचनात्मक घटक होते हैं, जिनका उपयोग हीटिंग, कार्बन पाउडर और सिलिकॉन पाउडर को पिघलाने और इन्सुलेशन के लिए किया जाता है। ग्रेफाइट सामग्री में बेहतर विशिष्ट ताकत और विशिष्ट मापांक, थर्मल शॉक और संक्षारण आदि के लिए अच्छा प्रतिरोध होता है। हालांकि, उनमें उच्च तापमान वाले ऑक्सीजन वातावरण में ऑक्सीकरण, अमोनिया और खरोंच के लिए खराब प्रतिरोध जैसी कमियां होती हैं, जिससे वे तेजी से कड़े होने में असमर्थ हो जाते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड एकल क्रिस्टल विकास और एपिटैक्सियल वेफर उत्पादन में ग्रेफाइट सामग्री की आवश्यकताएं। इसलिए, उच्च तापमान वाले कोटिंग्स पसंद हैंटैंटलम कार्बाइडलोकप्रियता हासिल कर रहे हैं.

1. के लक्षणटैंटलम कार्बाइड कोटिंग 

टैंटलम कार्बाइड (TaC) सिरेमिक का उच्च गलनांक 3880°C होता है, जिसमें उच्च कठोरता (Mohs कठोरता 9-10), महत्वपूर्ण तापीय चालकता (22W·m-1·K−1), उच्च लचीली ताकत (340-400MPa) होती है। ), और कम तापीय विस्तार गुणांक (6.6×10−6K−1)। यह उत्कृष्ट थर्मल और रासायनिक स्थिरता और उत्कृष्ट भौतिक गुणों को प्रदर्शित करता है, ग्रेफाइट के साथ अच्छी रासायनिक और यांत्रिक अनुकूलता के साथ,सी/सी मिश्रित सामग्री, आदि इसलिए, TaC कोटिंग्स का व्यापक रूप से एयरोस्पेस थर्मल संरक्षण, एकल क्रिस्टल विकास, ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा उपकरणों और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है।

ग्रेफाइट पर TaC कोटिंगइसमें नंगे ग्रेफाइट की तुलना में बेहतर रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध होता हैSiC-लेपित ग्रेफाइट, और कई धातु तत्वों के साथ प्रतिक्रिया किए बिना 2600 डिग्री सेल्सियस तक उच्च तापमान पर स्थिर रूप से उपयोग किया जा सकता है। इसे तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर सिंगल क्रिस्टल विकास और वेफर नक़्क़ाशी के लिए सबसे अच्छा कोटिंग माना जाता है, जिससे प्रक्रिया में तापमान और अशुद्धता नियंत्रण में काफी सुधार होता है, जिससे उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स और संबंधित का उत्पादन होता है।एपिटैक्सियल वेफर्स. यह GaN या के MOCVD उपकरण विकास के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैAlN एकल क्रिस्टलऔर पीवीटी उपकरण में SiC सिंगल क्रिस्टल की वृद्धि हुई, जिसके परिणामस्वरूप क्रिस्टल की गुणवत्ता में उल्लेखनीय वृद्धि हुई।

2. के फायदेटैंटलम कार्बाइड कोटिंग 

उपकरणों का उपयोगटैंटलम कार्बाइड (TaC) कोटिंग्सक्रिस्टल एज दोष के मुद्दों को हल कर सकता है, क्रिस्टल विकास की गुणवत्ता में सुधार कर सकता है, और "तेज विकास, मोटा विकास, बड़े विकास" के लिए मुख्य प्रौद्योगिकियों में से एक है। उद्योग अनुसंधान से यह भी पता चला है कि TaC-लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबल अधिक समान हीटिंग प्राप्त कर सकते हैं, जिससे SiC एकल क्रिस्टल विकास के लिए उत्कृष्ट प्रक्रिया नियंत्रण प्रदान किया जा सकता है, जिससे पॉलीक्रिस्टल बनाने वाले SiC क्रिस्टल किनारों की संभावना काफी कम हो जाती है। इसके अलावा,TaC-लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबलदो प्रमुख लाभ प्रदान करें:

(1) SiC दोषों को कम करना SiC एकल क्रिस्टल दोषों के नियंत्रण में, आम तौर पर तीन महत्वपूर्ण तरीके होते हैं, यानी, विकास मापदंडों को अनुकूलित करना और उच्च गुणवत्ता वाली स्रोत सामग्री (जैसे) का उपयोग करनाSiC स्रोत पाउडर), और ग्रेफाइट क्रूसिबल को प्रतिस्थापित करनाTaC-लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबलअच्छी क्रिस्टल गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए।

पारंपरिक ग्रेफाइट क्रूसिबल (ए) और टीएसी-लेपित क्रूसिबल (बी) का योजनाबद्ध आरेख 

कोरिया में पूर्वी यूरोपीय विश्वविद्यालय के शोध के अनुसार, SiC क्रिस्टल विकास में प्राथमिक अशुद्धता नाइट्रोजन है।TaC-लेपित ग्रेफाइट क्रूसिबलSiC क्रिस्टल में नाइट्रोजन के समावेश को प्रभावी ढंग से सीमित कर सकता है, जिससे सूक्ष्मनलिकाएं जैसे दोषों का निर्माण कम हो जाता है, जिससे क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार होता है। अध्ययनों से पता चला है कि समान परिस्थितियों में, वाहक एकाग्रता मेंSiC वेफर्सपारंपरिक ग्रेफाइट क्रूसिबल में उगाया जाता है औरTaC-लेपित क्रूसिबलक्रमशः लगभग 4.5×1017/सेमी और 7.6×1015/सेमी है।

पारंपरिक ग्रेफाइट क्रूसिबल (ए) और टीएसी-लेपित क्रूसिबल (बी) के बीच SiC एकल क्रिस्टल विकास में दोषों की तुलना

(2) ग्रेफाइट क्रूसिबल के जीवन को बढ़ाना वर्तमान में, SiC क्रिस्टल की लागत अधिक बनी हुई है, जिसमें ग्रेफाइट उपभोग्य सामग्रियों की लागत लगभग 30% है। ग्रेफाइट उपभोग्य सामग्रियों की लागत को कम करने की कुंजी उनकी सेवा जीवन को बढ़ाने में निहित है। एक ब्रिटिश शोध टीम के आंकड़ों के अनुसार, टैंटलम कार्बाइड कोटिंग्स ग्रेफाइट घटकों की सेवा जीवन को 30-50% तक बढ़ा सकती हैं। TaC-लेपित ग्रेफाइट का उपयोग करके, प्रतिस्थापन के माध्यम से SiC क्रिस्टल की लागत को 9% -15% तक कम किया जा सकता हैTaC-लेपित ग्रेफाइटअकेला।

3. टैंटलम कार्बाइड कोटिंग प्रक्रिया 

की तैयारीTaC कोटिंग्सतीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: ठोस-चरण विधि, तरल-चरण विधि, और गैस-चरण विधि। ठोस-चरण विधि में मुख्य रूप से कमी विधि और यौगिक विधि शामिल हैं; तरल-चरण विधि में पिघला हुआ नमक विधि, सोल-जेल विधि, घोल-सिंटरिंग विधि, प्लाज्मा छिड़काव विधि शामिल है; गैस-चरण विधि में रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), रासायनिक वाष्प घुसपैठ (सीवीआई), और भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) विधियां आदि शामिल हैं। प्रत्येक विधि के अपने फायदे और नुकसान हैं, सीवीडी सबसे परिपक्व और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है। TaC कोटिंग्स तैयार करना। प्रक्रिया में निरंतर सुधार के साथ, गर्म तार रासायनिक वाष्प जमाव और आयन बीम-सहायता रासायनिक वाष्प जमाव जैसी नई तकनीकें विकसित की गई हैं।

TaC कोटिंग-संशोधित कार्बन-आधारित सामग्रियों में मुख्य रूप से ग्रेफाइट, कार्बन फाइबर और कार्बन/कार्बन मिश्रित सामग्री शामिल हैं। तैयारी के तरीकेग्रेफाइट पर TaC कोटिंगइसमें प्लाज्मा छिड़काव, सीवीडी, घोल-सिंटरिंग आदि शामिल हैं।

सीवीडी विधि के लाभ: की तैयारीTaC कोटिंग्ससीवीडी के माध्यम से पर आधारित हैटैंटलम हैलाइड्स (TaX5) टैंटलम स्रोत के रूप में और हाइड्रोकार्बन (CnHm) कार्बन स्रोत के रूप में. विशिष्ट परिस्थितियों में, ये सामग्रियां टा और सी में विघटित हो जाती हैं, जो प्रतिक्रिया करके बनती हैंTaC कोटिंग्स. सीवीडी को कम तापमान पर किया जा सकता है, जिससे उच्च तापमान कोटिंग की तैयारी या उपचार के दौरान उत्पन्न होने वाले दोषों और कम यांत्रिक गुणों से बचा जा सकता है। कोटिंग्स की संरचना और संरचना को सीवीडी से नियंत्रित किया जा सकता है, जो उच्च शुद्धता, उच्च घनत्व और समान मोटाई प्रदान करता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि सीवीडी उच्च गुणवत्ता वाले टीएसी कोटिंग्स तैयार करने के लिए एक परिपक्व और व्यापक रूप से अपनाई जाने वाली विधि प्रदान करता हैआसानी से नियंत्रित करने योग्य संरचना और संरचना.

इस प्रक्रिया में प्रमुख प्रभावशाली कारकों में शामिल हैं:

(1) गैस प्रवाह दर (टैंटलम स्रोत, कार्बन स्रोत के रूप में हाइड्रोकार्बन गैस, वाहक गैस, मंदक गैस Ar2, अपचायी गैस H2):गैस प्रवाह दर में परिवर्तन प्रतिक्रिया कक्ष में तापमान, दबाव और गैस प्रवाह क्षेत्र को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है, जिससे कोटिंग संरचना, संरचना और गुणों में परिवर्तन होता है। Ar प्रवाह बढ़ने से कोटिंग की वृद्धि दर धीमी हो जाएगी और दाने का आकार कम हो जाएगा, जबकि TaCl5, H2 और C3H6 का दाढ़ द्रव्यमान अनुपात कोटिंग संरचना को प्रभावित करता है। H2 से TaCl5 का मोलर अनुपात (15-20):1 पर सबसे उपयुक्त है, और TaCl5 से C3H6 का मोलर अनुपात आदर्श रूप से 3:1 के करीब है। अत्यधिक TaCl5 या C3H6 के परिणामस्वरूप Ta2C या मुक्त कार्बन का निर्माण हो सकता है, जिससे वेफर की गुणवत्ता प्रभावित हो सकती है।

(2) जमाव तापमान:उच्च जमाव तापमान से जमाव दर तेज हो जाती है, दाने का आकार बड़ा हो जाता है और कोटिंग खुरदरी हो जाती है। इसके अतिरिक्त, हाइड्रोकार्बन का C और TaCl5 का Ta में अपघटन तापमान और दरें अलग-अलग होती हैं, जिससे Ta2C का निर्माण आसान हो जाता है। तापमान का TaC कोटिंग-संशोधित कार्बन सामग्री पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है, उच्च तापमान से जमाव दर, अनाज के आकार में वृद्धि होती है, जो गोलाकार से बहुफलकीय आकार में बदल जाती है। इसके अलावा, उच्च तापमान TaCl5 अपघटन को तेज करता है, मुक्त कार्बन को कम करता है, कोटिंग्स में आंतरिक तनाव बढ़ाता है, और दरार का कारण बन सकता है। हालाँकि, कम जमाव तापमान कोटिंग जमाव दक्षता को कम कर सकता है, जमाव का समय बढ़ा सकता है और कच्चे माल की लागत बढ़ा सकता है।

(3) जमाव दबाव:जमाव दबाव सामग्री की सतह मुक्त ऊर्जा से निकटता से संबंधित है और प्रतिक्रिया कक्ष में गैसों के निवास समय को प्रभावित करता है, जिससे न्यूक्लियेशन दर और कोटिंग्स के अनाज के आकार को प्रभावित किया जाता है। जैसे-जैसे जमाव दबाव बढ़ता है, गैस निवास का समय बढ़ता है, जिससे अभिकारकों को न्यूक्लियेशन प्रतिक्रियाओं के लिए अधिक समय मिलता है, प्रतिक्रिया दर बढ़ती है, अनाज का विस्तार होता है, और कोटिंग मोटी हो जाती है। इसके विपरीत, जमाव दबाव कम करने से गैस निवास समय कम हो जाता है, प्रतिक्रिया दर धीमी हो जाती है, अनाज का आकार कम हो जाता है, कोटिंग्स पतली हो जाती हैं, लेकिन जमाव दबाव का क्रिस्टल संरचना और कोटिंग्स की संरचना पर न्यूनतम प्रभाव पड़ता है।

4. टैंटलम कार्बाइड कोटिंग विकास में रुझान 

TaC (6.6×10−6K−1) का थर्मल विस्तार गुणांक कार्बन-आधारित सामग्रियों जैसे ग्रेफाइट, कार्बन फाइबर, C/C मिश्रित सामग्री से थोड़ा भिन्न होता है, जिससे एकल-चरण TaC कोटिंग्स आसानी से टूट जाती हैं या नष्ट हो जाती हैं। TaC कोटिंग्स के ऑक्सीकरण प्रतिरोध, उच्च तापमान यांत्रिक स्थिरता और रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध को और बेहतर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने अध्ययन किया हैमिश्रित कोटिंग्स, ठोस समाधान मजबूत करने वाली कोटिंग्स, ग्रेडिएंट कोटिंग्स, वगैरह।

कंपोजिट कोटिंग्स टीएसी की सतह या आंतरिक परतों में अतिरिक्त कोटिंग्स पेश करके एकल कोटिंग्स में दरारें सील करती हैं, जिससे कंपोजिट कोटिंग सिस्टम बनता है। HfC, ZrC, आदि जैसे ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण प्रणालियों में TaC के समान ही चेहरा-केंद्रित घन संरचना होती है, जो एक ठोस समाधान संरचना बनाने के लिए दो कार्बाइड के बीच अनंत पारस्परिक घुलनशीलता को सक्षम करती है। एचएफ(टीए)सी कोटिंग्स दरार रहित हैं और सी/सी मिश्रित सामग्री के साथ अच्छा आसंजन प्रदर्शित करती हैं। ये कोटिंग्स उत्कृष्ट जलन प्रतिरोध प्रदान करती हैं। ग्रेडिएंट कोटिंग्स से तात्पर्य कोटिंग घटकों के उनकी मोटाई के साथ निरंतर ग्रेडिएंट वितरण वाली कोटिंग्स से है। यह संरचना आंतरिक तनाव को कम कर सकती है, थर्मल विस्तार गुणांक मिलान मुद्दों में सुधार कर सकती है और दरार गठन को रोक सकती है।

5. टैंटलम कार्बाइड कोटिंग डिवाइस उत्पाद

QYR (हेंगझोउ बोझी) आंकड़ों और पूर्वानुमानों के अनुसार, वैश्विक बिक्रीटैंटलम कार्बाइड कोटिंग्स2021 में 1.5986 मिलियन अमरीकी डालर तक पहुंच गया (क्री के स्व-निर्मित टैंटलम कार्बाइड कोटिंग डिवाइस उत्पादों को छोड़कर), यह दर्शाता है कि उद्योग अभी भी विकास के शुरुआती चरण में है।

(1) क्रिस्टल विकास के लिए आवश्यक विस्तार वलय और क्रूसिबल:प्रति उद्यम 200 क्रिस्टल विकास भट्टियों के आधार पर गणना की गई, बाजार हिस्सेदारीTaC कोटिंग30 क्रिस्टल विकास कंपनियों द्वारा आवश्यक उपकरण लगभग 4.7 बिलियन आरएमबी है।

(2) टीएसी ट्रे:प्रत्येक ट्रे में 3 वेफर्स रखे जा सकते हैं, प्रति ट्रे का जीवनकाल 1 महीने का होता है। प्रत्येक 100 वेफर्स एक ट्रे की खपत करते हैं। 3 मिलियन वेफर्स के लिए 30,000 की आवश्यकता होती हैटीएसी ट्रे, प्रत्येक ट्रे में लगभग 20,000 टुकड़े होते हैं, जिसका कुल मूल्य लगभग 6 बिलियन वार्षिक होता है।

(3) अन्य डीकार्बोनाइजेशन परिदृश्य।उच्च तापमान भट्टी लाइनिंग, सीवीडी नोजल, भट्टी पाइप आदि के लिए लगभग 1 बिलियन।**