SiC 성장 핵심 소재: 탄탈륨 카바이드 코팅

탄화규소 단결정 제조에 일반적으로 사용되는 방법은 PVT(Physical Vapor Transport) 방법으로, 원료는 고온 영역에 배치되고 종자 결정은 상대적으로 저온 영역에 배치되는 원리입니다. 더 높은 온도에서 원료는 분해되어 액상을 거치지 않고 직접 기체 물질을 생성합니다. 축 온도 구배에 의해 구동되는 이러한 기체 물질은 핵 생성 및 성장이 일어나는 종자 결정으로 이동하여 탄화 규소 단결정의 결정화를 초래합니다. 현재 Cree, II-VI, SiCrystal, Dow 등 외국 기업과 Tianyue Advanced, Tianke Heida, Century Jingxin 등 국내 기업이 이 방법을 사용하고 있습니다.

탄화규소는 200개 이상의 결정형을 갖고 있으며, 원하는 단결정형(주로 4H 결정형)을 생성하기 위해서는 정밀한 제어가 필요합니다. Tianyue Advanced의 IPO 공개에 따르면, 2018년부터 2021년 상반기까지 수정봉 수율은 41%, 38.57%, 50.73%, 49.90%였으며, 기판 수율은 72.61%, 75.15%, 70.44%, 75.47%였습니다. 현재 전체 수율은 37.7%에 불과합니다. 주류 PVT 방법을 예로 들면, 낮은 수율은 주로 SiC 기판 준비 시 다음과 같은 어려움으로 인해 발생합니다.

어려운 온도장 제어: SiC 크리스탈 로드는 2500°C에서 생산해야 하지만 실리콘 크리스탈은 1500°C만 필요하므로 특수 단결정 용해로가 필요합니다. 생산 중 정확한 온도 제어는 심각한 문제를 야기합니다.

느린 생산 속도: 전통적인 실리콘 소재는 시간당 300밀리미터의 속도로 성장하는 반면, 실리콘 카바이드 단결정은 거의 800배 느린 시간당 400마이크로미터로만 성장할 수 있습니다.

고품질 매개변수 요구사항, 블랙박스 수율 실시간 제어 어려움: SiC 웨이퍼의 핵심 매개변수에는 마이크로튜브 밀도, 전위 밀도, 저항률, 곡률, 표면 거칠기 등이 포함됩니다. 탄소 비율, 성장 온도 구배, 결정 성장 속도, 기류 압력 등은 다결정 오염을 방지하여 부적격 결정을 생성하는 데 필수적입니다. 흑연 도가니의 블랙박스에서 결정 성장을 실시간으로 관찰하는 것은 불가능하므로 정밀한 열장 제어, 재료 매칭 및 축적된 경험이 필요합니다.

결정 직경 확장의 어려움: 기상 수송 방법에서 SiC 결정 성장을 위한 확장 기술은 결정 크기가 증가함에 따라 성장 어려움이 기하학적으로 증가하는 등 상당한 과제를 제기합니다.

일반적으로 낮은 수율: 낮은 수율은 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, 고수율 실리콘 카바이드 기판을 준비하려면 정밀한 온도 제어를 위한 우수한 열장 재료가 필수적입니다. 현재 열장 도가니 키트는 주로 탄소 분말 및 실리콘 분말의 가열, 용융 및 절연에 사용되는 고순도 흑연 구조 부품으로 구성됩니다. 흑연 재료는 비강도와 비계수가 우수하고 열 충격 및 부식에 대한 저항성이 우수합니다. 그러나 고온 산소 환경에서 산화, 암모니아 및 긁힘에 대한 저항성이 좋지 않아 점점 엄격해지는 요구 사항을 충족할 수 없다는 단점이 있습니다. 실리콘 카바이드 단결정 성장 및 에피택셜 웨이퍼 생산에 사용되는 흑연 재료 요구 사항. 따라서 다음과 같은 고온 코팅은탄탈륨 카바이드인기를 얻고 있습니다.

1. 특징탄탈륨 카바이드 코팅 

탄탈륨 카바이드(TaC) 세라믹은 3880°C의 높은 융점, 높은 경도(모스 경도 9-10), 상당한 열 전도성(22W·m-1·K−1), 높은 굽힘 강도(340-400MPa)를 가지고 있습니다. ), 낮은 열팽창계수(6.6×10-6K-1)를 갖는다. 우수한 열적, 화학적 안정성과 탁월한 물리적 특성을 나타내며, 흑연과의 화학적, 기계적 친화성이 우수하며,C/C복합재료따라서 TaC 코팅은 항공우주 열 보호, 단결정 성장, 에너지 전자, 의료 기기 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

흑연에 TaC 코팅순수 흑연보다 화학적 내식성이 우수합니다.SiC 코팅 흑연, 많은 금속 원소와 반응하지 않고 최대 2600°C의 고온에서도 안정적으로 사용할 수 있습니다. 3세대 반도체 단결정 성장 및 웨이퍼 식각을 위한 최고의 코팅으로 꼽히며, 공정 중 온도 및 불순물 제어를 획기적으로 향상시켜 고품질의 탄화규소 웨이퍼 및 관련 제품을 생산할 수 있습니다.에피택셜 웨이퍼. 특히 GaN의 MOCVD 장비 성장에 적합합니다.AlN 단결정SiC 단결정의 PVT 장비 성장으로 결정 품질이 대폭 향상되었습니다.

2. 장점탄탈륨 카바이드 코팅 

장치의 사용탄탈륨 카바이드(TaC) 코팅결정 가장자리 결함 문제를 해결하고 결정 성장 품질을 향상시킬 수 있으며 “빠른 성장, 두꺼운 성장, 큰 성장”을 위한 핵심 기술 중 하나입니다. 업계 조사에 따르면 TaC 코팅 흑연 도가니는 더욱 균일한 가열을 달성할 수 있어 SiC 단결정 성장을 위한 우수한 공정 제어를 제공함으로써 SiC 결정 가장자리가 다결정을 형성할 확률을 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 게다가,TaC 코팅 흑연 도가니두 가지 주요 이점을 제공합니다.

(1) SiC 결함 감소 SiC 단결정 결함 제어에는 일반적으로 세 가지 중요한 방법, 즉 성장 매개변수를 최적화하고 고품질 원료(예:SiC 소스 분말), 흑연 도가니를 다음으로 교체합니다.TaC 코팅 흑연 도가니좋은 크리스탈 품질을 얻으려면.

기존 흑연 도가니(a)와 TaC 코팅 도가니(b)의 개략도 

한국 동유럽대학교의 연구에 따르면 SiC 결정 성장의 주요 불순물은 질소입니다.TaC 코팅 흑연 도가니SiC 결정에 질소가 포함되는 것을 효과적으로 제한하여 마이크로튜브와 같은 결함의 형성을 줄이고 결정 품질을 향상시킬 수 있습니다. 연구에 따르면 동일한 조건에서 캐리어 농도는SiC 웨이퍼기존 흑연 도가니에서 성장한TaC 코팅 도가니각각 약 4.5×1017/cm 및 7.6×1015/cm입니다.

기존 흑연 도가니(a)와 TaC 코팅 도가니(b)의 SiC 단결정 성장 결함 비교

(2) 흑연 도가니의 수명 연장 현재 SiC 결정의 가격은 여전히 ​​높으며 흑연 소모품이 비용의 약 30%를 차지합니다. 흑연 소모품 비용 절감의 핵심은 수명 연장에 있습니다. 영국 연구팀의 데이터에 따르면 탄탈륨 카바이드 코팅은 흑연 부품의 수명을 30~50% 연장할 수 있습니다. TaC 코팅 흑연을 사용하면 SiC 결정의 대체 비용을 9~15% 절감할 수 있습니다.TaC 코팅 흑연홀로.

3. 탄탈륨 카바이드 코팅 공정 

준비TaC 코팅고체상법, 액상법, 기상법의 3가지로 분류할 수 있다. 고상법에는 주로 환원법과 복합법이 포함됩니다. 액상법에는 용융염법, 졸겔법, 슬러리 소결법, 플라즈마 분사법이 포함되며; 기상법에는 화학기상증착(CVD), 화학기상침투(CVI), 물리기상증착(PVD) 등이 있습니다. 각 방법에는 장단점이 있으며, CVD는 가장 성숙하고 널리 사용되는 방법입니다. TaC 코팅을 준비하고 있습니다. 지속적인 공정 개선으로 열선 화학 기상 증착 및 이온빔 보조 화학 기상 증착과 같은 새로운 기술이 개발되었습니다.

TaC 코팅 개질 탄소계 소재에는 주로 흑연, 탄소섬유, 탄소/탄소 복합소재 등이 포함됩니다. 준비 방법흑연에 TaC 코팅플라즈마 스프레이, CVD, 슬러리 소결 등이 포함됩니다.

CVD 방법의 장점: 준비TaC 코팅CVD를 통한 기반탄탈륨 소스인 탄탈륨 할로겐화물(TaX5)과 탄소 소스인 탄화수소(CnHm). 특정 조건에서 이러한 물질은 Ta와 C로 분해되어 반응하여 다음을 형성합니다.TaC 코팅. CVD는 더 낮은 온도에서 수행될 수 있으므로 고온 코팅 준비 또는 처리 중에 발생할 수 있는 결함 및 기계적 특성 저하를 방지할 수 있습니다. 코팅의 구성과 구조는 CVD로 제어할 수 있어 고순도, 고밀도 및 균일한 두께를 제공합니다. 더 중요한 것은 CVD가 고품질 TaC 코팅을 준비하기 위해 성숙하고 널리 채택되는 방법을 제공한다는 것입니다.쉽게 제어 가능한 구성 및 구조.

프로세스에 영향을 미치는 주요 요소는 다음과 같습니다.

(1) 가스 유량(탄탈륨 소스, 탄소 소스인 탄화수소 가스, 운반 가스, 희석 가스 Ar2, 환원 가스 H2):가스 유량의 변화는 반응 챔버의 온도, 압력 및 가스 흐름장에 큰 영향을 미치며 코팅 구성, 구조 및 특성의 변화로 이어집니다. Ar 흐름이 증가하면 코팅 성장 속도가 느려지고 입자 크기가 감소하는 반면, TaCl5, H2 및 C3H6의 몰 질량비는 코팅 조성에 영향을 미칩니다. H2와 TaCl5의 몰비는 (15-20):1이 가장 적합하며, TaCl5와 C3H6의 몰비는 이상적으로 3:1에 가깝습니다. 과도한 TaCl5 또는 C3H6는 Ta2C 또는 유리 탄소를 형성하여 웨이퍼 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

(2) 증착 온도:증착 온도가 높을수록 증착 속도가 빨라지고 입자 크기가 커지고 코팅이 거칠어집니다. 또한 탄화수소가 C로, TaCl5가 Ta로 분해되는 온도와 속도가 다르기 때문에 Ta2C가 더 쉽게 형성됩니다. 온도는 TaC 코팅으로 변형된 탄소 재료에 중요한 영향을 미치며, 온도가 높을수록 증착 속도, 입자 크기가 증가하고 구형에서 다면체 모양으로 변경됩니다. 또한 온도가 높을수록 TaCl5 분해가 가속화되고 유리 탄소가 감소하며 코팅의 내부 응력이 증가하고 균열이 발생할 수 있습니다. 그러나 증착 온도가 낮아지면 코팅 증착 효율이 떨어지고 증착 시간이 길어지며 원재료 비용이 증가할 수 있습니다.

(3) 증착 압력:증착 압력은 재료의 표면 자유 에너지와 밀접한 관련이 있으며 반응 챔버 내 가스의 체류 시간에 영향을 미치므로 코팅의 핵 생성 속도와 입자 크기에 영향을 미칩니다. 증착 압력이 증가함에 따라 가스 체류 시간이 길어져 반응물이 핵 생성 반응에 더 많은 시간을 허용하고 반응 속도가 증가하며 입자가 커지고 코팅이 두꺼워집니다. 반대로 증착 압력을 낮추면 가스 체류 시간이 줄어들고 반응 속도가 느려지며 입자 크기가 줄어들고 코팅이 얇아지지만 증착 압력은 결정 구조와 코팅 구성에 최소한의 영향을 미칩니다.

4. 탄탈륨 카바이드 코팅 개발 동향 

TaC(6.6×10-6K-1)의 열팽창 계수는 흑연, 탄소 섬유, C/C 복합 재료와 같은 탄소 기반 재료의 열팽창 계수와 약간 다르기 때문에 단상 TaC 코팅이 쉽게 깨지거나 박리됩니다. TaC 코팅의 내산화성, 고온 기계적 안정성 및 화학적 내식성을 더욱 향상시키기 위해 연구자들은 다음과 같은 연구를 수행했습니다.복합 코팅, 고용체 강화 코팅, 그래디언트 코팅, 등.

복합 코팅은 TaC의 표면이나 내부 층에 추가 코팅을 도입하여 복합 코팅 시스템을 형성함으로써 단일 코팅의 균열을 밀봉합니다. HfC, ZrC 등과 같은 고용체 강화계는 TaC와 동일한 면심 입방 구조를 갖고 있어 두 탄화물 사이의 무한한 상호 용해성을 가능하게 하여 고용체 구조를 형성할 수 있습니다. Hf(Ta)C 코팅은 균열이 없으며 C/C 복합 재료와 우수한 접착력을 나타냅니다. 이 코팅은 탁월한 내화성을 제공합니다. 구배 코팅은 두께에 따라 코팅 구성 요소가 연속적으로 구배 분포되는 코팅을 의미합니다. 이 구조는 내부 응력을 줄이고 열팽창 계수 매칭 문제를 개선하며 균열 형성을 방지할 수 있습니다.

5. 탄탈륨 카바이드 코팅 장치 제품

QYR(Hengzhou Bozhi) 통계 및 예측에 따르면 전 세계 판매량은탄탈륨 카바이드 코팅2021년에는 1,5986백만 달러(Cree의 자체 생산 탄탈륨 카바이드 코팅 장치 제품 제외)를 달성하여 업계가 아직 초기 개발 단계에 있음을 나타냅니다.

(1) 결정 성장에 필요한 확장 링 및 도가니:기업당 결정성장로 200개를 기준으로 계산한 시장점유율은TaC 코팅30개 결정 성장 회사에 필요한 장치는 약 47억 위안입니다.

(2) TaC 트레이:각 트레이는 3개의 웨이퍼를 운반할 수 있으며, 트레이당 수명은 1개월입니다. 웨이퍼 100개당 트레이 1개를 사용합니다. 3백만 개의 웨이퍼에는 30,000개가 필요합니다.TaC 트레이각 트레이에는 약 20,000개의 조각이 있으며, 연간 총합은 약 60억 개입니다.

(3) 기타 탈탄소화 시나리오.고온로 라이닝, CVD 노즐, 노 파이프 등에 약 10억 달러**