کاربردهای پوشش های SiC و TaC در زمینه نیمه هادی چیست؟

بخش نیمه هادی به طور کلی چگونه تعریف می شود و اجزای اصلی آن چیست؟

بخش نیمه هادی به طور گسترده به استفاده از خواص مواد نیمه هادی برای تولید مدارهای مجتمع نیمه هادی (IC)، نمایشگرهای نیمه هادی (پنل های LCD/OLED)، روشنایی نیمه هادی (LED) و محصولات انرژی نیمه هادی (فتوولتائیک) از طریق فرآیندهای تولید نیمه هادی مرتبط اشاره دارد. مدارهای مجتمع تا 80٪ از این بخش را تشکیل می دهند، بنابراین، به طور خلاصه، صنعت نیمه هادی اغلب به طور خاص به صنعت IC اشاره می کند.

در اصل، تولید نیمه هادی شامل ایجاد ساختارهای مدار بر روی یک "زیر بستر" و اتصال این مدار به قدرت خارجی و سیستم های کنترل برای دستیابی به عملکردهای مختلف است. بسترها، اصطلاحی که در صنعت استفاده می شود، می توانند از مواد نیمه هادی مانند Si یا SiC یا مواد غیر نیمه هادی مانند یاقوت کبود یا شیشه ساخته شوند. به جز صنایع ال ای دی و پانل، ویفرهای سیلیکونی متداول ترین بسترهای مورد استفاده هستند. اپیتاکسی به فرآیند رشد یک ماده لایه نازک جدید بر روی بستر، با مواد رایج Si، SiC، GaN، GaAs و غیره اشاره دارد. غلظت، و مشخصات لایه همپایی، مستقل از بستر. این کنترل از طریق دوپینگ در طی فرآیند رشد اپیتاکسیال به دست می آید.

فرآیند Front-end در تولید نیمه هادی شامل چه چیزی می شود؟

فرآيند جلويي از نظر فني، پيچيده‌ترين و پرهزينه‌ترين بخش توليد نيمه‌هادي است كه نياز به تكرار چندين رويه دارد، از اين رو «فرآيند چرخه‌اي» ناميده مي‌شود. این در درجه اول شامل تمیز کردن، اکسیداسیون، فوتولیتوگرافی، اچینگ، کاشت یون، انتشار، بازپخت، رسوب لایه نازک، و پرداخت است.

چگونه پوشش ها از تجهیزات تولید نیمه هادی محافظت می کنند؟

تجهیزات تولید نیمه هادی در محیط های با دمای بالا و بسیار خورنده عمل می کنند و نیاز به تمیزی بسیار بالایی دارند. بنابراین، حفاظت از اجزای داخلی تجهیزات یک چالش حیاتی است. فناوری پوشش، مواد پایه را با تشکیل یک لایه نازک پوششی بر روی سطوح آنها تقویت و محافظت می کند. این سازگاری به مواد پایه اجازه می‌دهد تا در محیط‌های تولیدی شدیدتر و پیچیده‌تر مقاومت کنند و پایداری در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و افزایش طول عمر آنها را بهبود بخشد.

چرا هستپوشش SiCدر حوزه تولید بستر سیلیکونی مهم است؟

در کوره های رشد کریستال سیلیکون، بخار سیلیکون با دمای بالا در حدود 1500 درجه سانتیگراد می تواند به طور قابل توجهی باعث خوردگی اجزای گرافیت یا مواد کربن-کربن شود. استفاده از خلوص بالاپوشش SiCروی این قطعات می تواند به طور موثر بخار سیلیکون را مسدود کند و عمر مفید قطعات را افزایش دهد.

فرآیند تولید ویفرهای سیلیکونی نیمه هادی پیچیده است و شامل مراحل متعددی است که مراحل اولیه رشد کریستال، تشکیل ویفر سیلیکونی و رشد اپیتاکسیال است. رشد کریستال فرآیند اصلی در تولید ویفر سیلیکونی است. در مرحله آماده سازی تک کریستال، پارامترهای فنی مهم مانند قطر ویفر، جهت کریستال، نوع هدایت دوپینگ، محدوده مقاومت و توزیع، غلظت کربن و اکسیژن و عیوب شبکه تعیین می شوند. سیلیکون تک کریستالی معمولاً با استفاده از روش Czochralski (CZ) یا روش Float Zone (FZ) تهیه می شود. روش CZ رایج ترین مورد استفاده است که حدود 85 درصد از تک بلورهای سیلیکون را تشکیل می دهد. ویفرهای سیلیکونی 12 اینچی را فقط می توان با روش CZ تولید کرد. این روش شامل قرار دادن مواد پلی سیلیکونی با خلوص بالا در یک بوته کوارتز، ذوب آن تحت حفاظت گاز بی اثر با خلوص بالا و سپس قرار دادن یک دانه سیلیکونی تک کریستالی در مذاب است. همانطور که دانه به سمت بالا کشیده می شود، کریستال به یک میله سیلیکونی تک کریستالی تبدیل می شود.

چگونه استپوشش TaCبا روش‌های PVT در حال تکامل هستید؟

ویژگی های ذاتی SiC (عدم وجود فاز مایع Si:C=1:1 در فشار اتمسفر) رشد تک کریستال را چالش برانگیز می کند. در حال حاضر، روش‌های اصلی عبارتند از انتقال فیزیکی بخار (PVT)، رسوب بخار شیمیایی با دمای بالا (HT-CVD)، و اپیتاکسی فاز مایع (LPE). در این میان، PVT به دلیل نیاز به تجهیزات پایین تر، فرآیند ساده تر، قابلیت کنترل قوی و کاربردهای صنعتی شناخته شده، بیشترین استفاده را دارد.

روش PVT با تنظیم شرایط عایق حرارتی در خارج از بوته گرافیتی امکان کنترل میدان های دمایی محوری و شعاعی را فراهم می کند. پودر SiC در پایین داغتر بوته گرافیتی قرار می گیرد، در حالی که کریستال بذر SiC در بالای خنک تر ثابت می شود. فاصله بین پودر و دانه معمولاً تا چند ده میلی متر کنترل می شود تا از تماس بین کریستال SiC در حال رشد و پودر جلوگیری شود. با استفاده از روش های مختلف حرارت دهی (گرمایش القایی یا مقاومتی)، پودر SiC تا دمای 2200-2500 درجه سانتی گراد گرم می شود و باعث تصعید پودر اصلی و تجزیه به اجزای گازی مانند Si، Si2C و SiC2 می شود. این گازها از طریق همرفت به انتهای کریستال بذر منتقل می شوند، جایی که SiC متبلور می شود و رشد تک کریستالی را به دست می آورد. نرخ رشد معمولی 0.2-0.4 میلی متر در ساعت است که برای رشد شمش کریستالی 20-30 میلی متری به 7-14 روز نیاز دارد.

وجود آخال‌های کربن در کریستال‌های SiC رشد یافته در PVT یک منبع نقص مهم است که به میکرولوله‌ها و نقص‌های چندشکلی کمک می‌کند، که کیفیت کریستال‌های SiC را کاهش می‌دهد و عملکرد دستگاه‌های مبتنی بر SiC را محدود می‌کند. به طور کلی، گرافیتی شدن پودر SiC و یک جبهه رشد غنی از کربن، منابع شناخته شده ادغام کربن هستند: 1) در طی تجزیه پودر SiC، بخار Si در فاز گاز جمع می شود در حالی که C در فاز جامد متمرکز می شود که منجر به کربن شدن شدید پودر می شود. در اواخر رشد هنگامی که ذرات کربن موجود در پودر بر گرانش غلبه کرده و در شمش SiC منتشر می‌شوند، ذرات کربن تشکیل می‌شوند. 2) در شرایط غنی از Si، بخار Si اضافی با دیواره بوته گرافیتی واکنش می دهد و یک لایه SiC نازک را تشکیل می دهد که می تواند به راحتی به ذرات کربن و اجزای حاوی Si تجزیه شود.

دو رویکرد می تواند به این مسائل رسیدگی کند: 1) ذرات کربن را از پودر SiC به شدت کربن شده در اواخر رشد فیلتر کنید. 2) از خوردگی بخار سی به دیواره بوته گرافیتی جلوگیری کنید. بسیاری از کاربیدها، مانند TaC، می توانند به طور پایدار در دمای بالای 2000 درجه سانتیگراد عمل کنند و در برابر خوردگی شیمیایی توسط اسیدها، قلیاها، NH3، H2 و بخار Si مقاومت کنند. با افزایش تقاضای کیفیت برای ویفرهای SiC، کاربرد پوشش‌های TaC در فناوری رشد کریستال SiC به صورت صنعتی در حال بررسی است. مطالعات نشان می‌دهد که کریستال‌های SiC تهیه‌شده با استفاده از اجزای گرافیت پوشش‌داده‌شده با TaC در کوره‌های رشد PVT خالص‌تر هستند، با چگالی نقص به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابند و به طور قابل‌توجهی کیفیت کریستال را افزایش می‌دهند.

الف) متخلخلTaC یا گرافیت متخلخل با پوشش TaC: ذرات کربن را فیلتر می کند، از انتشار در کریستال جلوگیری می کند و جریان هوای یکنواخت را تضمین می کند.

ب)دارای پوشش TaCحلقه ها: بخار Si را از دیواره بوته گرافیتی جدا کنید تا از خوردگی دیواره بوته توسط بخار سی جلوگیری شود.

ج)دارای پوشش TaCراهنماهای جریان: بخار Si را از دیواره بوته گرافیتی جدا کنید در حالی که جریان هوا را به سمت کریستال دانه هدایت کنید.

د)دارای پوشش TaCنگهدارنده کریستال بذر: بخار Si را از پوشش بالایی بوته جدا کنید تا از خوردگی پوشش بالایی توسط بخار سی جلوگیری شود.

چگونه می کندپوشش سی سی سی سی وی دیسود در تولید بستر GaN؟

در حال حاضر، تولید تجاری زیرلایه های GaN با ایجاد یک لایه بافر (یا لایه ماسک) بر روی یک بستر یاقوت کبود آغاز می شود. سپس از اپیتاکسی فاز بخار هیدروژن (HVPE) برای رشد سریع یک لایه GaN بر روی این لایه بافر استفاده می‌شود و به دنبال آن جداسازی و صیقل دادن برای به دست آوردن یک زیرلایه GaN مستقل انجام می‌شود. چگونه HVPE در راکتورهای کوارتز فشار اتمسفر عمل می کند، با توجه به نیاز آن برای واکنش های شیمیایی در دمای پایین و بالا؟

در منطقه دمای پایین (800-900 درجه سانتیگراد)، HCl گازی با Ga فلزی واکنش داده و GaCl گازی تولید می کند.

در منطقه با دمای بالا (1000-1100 درجه سانتیگراد)، GaCl گازی با گاز NH3 واکنش می دهد و یک فیلم تک کریستالی GaN تشکیل می دهد.

اجزای ساختاری تجهیزات HVPE چیست و چگونه از خوردگی محافظت می شوند؟ تجهیزات HVPE می تواند افقی یا عمودی باشد که از اجزایی مانند قایق گالیوم، بدنه کوره، راکتور، سیستم پیکربندی گاز و سیستم اگزوز تشکیل شده است. سینی ها و میله های گرافیت که با NH3 در تماس هستند، مستعد خوردگی هستند و می توان آنها را با یکپوشش SiCبرای جلوگیری از آسیب

اهمیت فناوری CVD نسبت به تولید اپیتاکسی GaN چیست؟

در زمینه دستگاه های نیمه هادی، چه لزومی دارد که بر روی لایه های ویفری خاص، لایه های همپایی ساخته شود؟ یک مثال معمولی شامل LED های سبز-آبی است که به لایه های همپای GaN روی بسترهای یاقوت کبود نیاز دارند. تجهیزات MOCVD در فرآیند تولید اپیتاکسی GaN حیاتی است و تامین کنندگان پیشرو AMEC، Aixtron و Veeco در چین هستند.

چرا در سیستم های MOCVD نمی توان بسترها را مستقیماً روی پایه های فلزی یا ساده قرار داد؟ عواملی مانند جهت جریان گاز (افقی، عمودی)، دما، فشار، تثبیت بستر و آلودگی ناشی از زباله باید در نظر گرفته شوند. بنابراین برای نگه داشتن بسترها از یک سوسپتور با پاکت استفاده می شود و با استفاده از فناوری CVD بر روی بسترهای قرار داده شده در این پاکت ها رسوب اپیتاکسیال انجام می شود. راsusceptor یک پایه گرافیتی با پوشش SiC است.

واکنش شیمیایی هسته در اپیتاکسی GaN چیست و چرا کیفیت پوشش SiC بسیار مهم است؟ واکنش هسته NH3 + TMGa → GaN + محصولات جانبی (در حدود 1050-1100 درجه سانتیگراد) است. با این حال، NH3 از نظر حرارتی در دماهای بالا تجزیه می شود و هیدروژن اتمی آزاد می کند که به شدت با کربن موجود در گرافیت واکنش نشان می دهد. از آنجایی که NH3/H2 با SiC در دمای 1100 درجه سانتیگراد واکنش نشان نمی‌دهد، کپسوله‌سازی کامل و کیفیت پوشش SiC برای این فرآیند بسیار مهم است.

در زمینه تولید اپیتاکسی SiC، پوشش‌ها چگونه در انواع جریان اصلی اتاق‌های واکنش اعمال می‌شوند؟

SiC یک ماده پلی تایپی معمولی با بیش از 200 ساختار کریستالی مختلف است که در میان آنها 3C-SiC، 4H-SiC و 6H-SiC رایج ترین هستند. 4H-SiC ساختار کریستالی است که عمدتاً در دستگاه های اصلی استفاده می شود. یکی از عوامل موثر بر ساختار بلوری دمای واکنش است. دماهای زیر یک آستانه خاص تمایل به تولید اشکال کریستالی دیگر دارند. دمای بهینه واکنش بین 1550 تا 1650 درجه سانتیگراد است. دمای کمتر از 1550 درجه سانتیگراد به احتمال زیاد 3C-SiC و سایر ساختارها تولید می کند. با این حال، 3C-SiC معمولا در استفاده می شودپوشش های SiCو دمای واکنش در حدود 1600 درجه سانتیگراد نزدیک به حد 3C-SiC است. اگرچه کاربرد فعلی پوشش‌های TaC به دلیل مسائل مربوط به هزینه محدود شده است، در دراز مدت،پوشش های TaCانتظار می رود به تدریج جایگزین پوشش های SiC در تجهیزات اپیتاکسیال SiC شود.

در حال حاضر، سه نوع اصلی سیستم CVD برای اپیتاکسی SiC وجود دارد: دیوار داغ سیاره ای، دیوار داغ افقی و دیوار داغ عمودی. سیستم CVD دیواره داغ سیاره ای با توانایی آن در رشد چندین ویفر در یک دسته مشخص می شود که در نتیجه راندمان تولید بالایی دارد. سیستم CVD دیوار داغ افقی معمولاً شامل یک سیستم رشد تک ویفر با اندازه بزرگ است که توسط چرخش شناور گاز هدایت می شود، که مشخصات عالی درون ویفر را تسهیل می کند. سیستم CVD دیوار داغ عمودی عمدتاً دارای چرخش با سرعت بالا با کمک یک پایه مکانیکی خارجی است. این به طور موثر ضخامت لایه مرزی را با حفظ فشار کمتر محفظه واکنش کاهش می دهد، بنابراین سرعت رشد اپیتاکسیال را افزایش می دهد. علاوه بر این، طراحی محفظه آن فاقد دیواره بالایی است که می تواند منجر به رسوب ذرات SiC شود، خطر ریزش ذرات را به حداقل برساند و یک مزیت ذاتی در کنترل نقص ایجاد کند.

برای پردازش حرارتی در دمای بالا، چه کاربردهایی دارد؟سی وی دی سی سیدر تجهیزات کوره لوله؟

تجهیزات کوره لوله به طور گسترده در فرآیندهایی مانند اکسیداسیون، انتشار، رشد لایه نازک، بازپخت و آلیاژسازی در صنعت نیمه هادی استفاده می شود. دو نوع اصلی وجود دارد: افقی و عمودی. در حال حاضر، صنعت آی سی در درجه اول از کوره های لوله عمودی استفاده می کند. بسته به فشار فرآیند و کاربرد، تجهیزات کوره لوله را می توان به کوره های فشار اتمسفر و کوره های کم فشار طبقه بندی کرد. کوره های فشار اتمسفر عمدتاً برای دوپینگ انتشار حرارتی، اکسیداسیون لایه نازک و بازپخت در دمای بالا استفاده می شوند، در حالی که کوره های فشار پایین برای رشد انواع مختلف لایه های نازک (مانند LPCVD و ALD) طراحی شده اند. ساختار تجهیزات مختلف کوره لوله مشابه است و می توان آنها را به صورت انعطاف پذیر برای انجام عملکردهای انتشار، اکسیداسیون، بازپخت، LPCVD و ALD در صورت نیاز پیکربندی کرد. لوله‌های SiC متخلخل با خلوص بالا، قایق‌های ویفر SiC و دیواره‌های پوشش SiC اجزای ضروری در داخل محفظه واکنش تجهیزات کوره لوله هستند. بسته به نیاز مشتری، یک مورد اضافیپوشش SiCلایه را می توان برای افزایش عملکرد روی سطح سرامیک های SiC متخلخل اعمال کرد.

در زمینه تولید سیلیکون گرانول فتوولتائیک، چرا؟پوشش SiCایفای نقش محوری؟

پلی سیلیکون، مشتق شده از سیلیکون درجه متالورژی (یا سیلیکون صنعتی)، یک ماده غیر فلزی است که از طریق یک سری واکنش‌های فیزیکی و شیمیایی برای دستیابی به محتوای سیلیکون بیش از 99.9999٪ (6N) خالص می‌شود. در زمینه فتوولتائیک، پلی سیلیکون به ویفرها، سلول‌ها و ماژول‌ها تبدیل می‌شود که در نهایت در سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک مورد استفاده قرار می‌گیرد و پلی سیلیکون را به یک جزء حیاتی بالادستی زنجیره صنعت فتوولتائیک تبدیل می‌کند. در حال حاضر، دو مسیر تکنولوژیکی برای تولید پلی سیلیکون وجود دارد: فرآیند زیمنس اصلاح شده (تولید سیلیکون میله مانند) و فرآیند بستر سیال سیلان (بازده سیلیکون دانه ای). در فرآیند اصلاح شده زیمنس، SiHCl3 با خلوص بالا توسط هیدروژن با خلوص بالا بر روی یک هسته سیلیکونی با خلوص بالا در حدود 1150 درجه سانتیگراد کاهش می یابد و در نتیجه پلی سیلیکون بر روی هسته سیلیکون رسوب می کند. فرآیند بستر سیال سیلان معمولاً از SiH4 به عنوان گاز منبع سیلیکون و H2 به عنوان گاز حامل استفاده می کند، با افزودن SiCl4 برای تجزیه حرارتی SiH4 در یک راکتور بستر سیال در دمای 600-800 درجه سانتی گراد برای تولید پلی سیلیکون دانه ای. فرآیند زیمنس اصلاح شده به دلیل فناوری تولید نسبتا بالغ، مسیر اصلی تولید پلی سیلیکون باقی مانده است. با این حال، از آنجایی که شرکت‌هایی مانند GCL-Poly و Tianhong Reike به پیشرفت فناوری سیلیکون دانه‌ای ادامه می‌دهند، فرآیند بستر سیال سیلان ممکن است به دلیل هزینه کمتر و کاهش ردپای کربن، سهم بازار را به دست آورد.

کنترل خلوص محصول از لحاظ تاریخی نقطه ضعف فرآیند بستر سیال بوده است، که دلیل اصلی این است که علیرغم مزایای هزینه قابل توجه آن از فرآیند زیمنس پیشی نگرفته است. آستر به عنوان ساختار اصلی و مخزن واکنش فرآیند بستر سیال سیلان عمل می کند و از پوسته فلزی راکتور در برابر فرسایش و سایش توسط گازها و مواد با دمای بالا محافظت می کند و در عین حال عایق و دمای مواد را حفظ می کند. به دلیل شرایط سخت کاری و تماس مستقیم با سیلیکون دانه ای، مواد پوشش باید خلوص بالا، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالا را از خود نشان دهند. مواد رایج شامل گرافیت با aپوشش SiC. با این حال، در استفاده واقعی، رخدادهایی از لایه برداری/ترک شدن پوشش وجود دارد که منجر به محتوای کربن بیش از حد در سیلیکون دانه‌ای می‌شود که در نتیجه طول عمر کوتاهی برای پوشش‌های گرافیتی و نیاز به جایگزینی منظم، طبقه‌بندی آنها به عنوان مواد مصرفی ایجاد می‌شود. چالش‌های فنی مربوط به مواد روکش بستر سیال با پوشش SiC و هزینه‌های بالای آن‌ها مانع از پذیرش فرآیند بستر سیال سیلان در بازار می‌شود و باید برای کاربرد گسترده‌تر مورد توجه قرار گیرد.

پوشش گرافیت پیرولیتیک در کدام کاربردها استفاده می شود؟

گرافیت پیرولیتیک یک ماده کربنی جدید است که از هیدروکربن‌های با خلوص بالا تشکیل شده است که در فشارهای کوره بین 1800 تا 2000 درجه سانتی‌گراد به‌طور شیمیایی بخار رسوب می‌کنند که منجر به کربن پیرولیتیک با جهت کریستالوگرافی بالا می‌شود. دارای چگالی بالا (2.20 گرم بر سانتی متر مکعب)، خلوص بالا و خواص حرارتی، الکتریکی، مغناطیسی و مکانیکی ناهمسانگرد است. این می تواند خلاء 10 میلی متر جیوه را حتی در حدود 1800 درجه سانتی گراد حفظ کند و پتانسیل کاربرد گسترده ای در زمینه هایی مانند هوا فضا، نیمه هادی ها، فتوولتائیک و ابزارهای تحلیلی پیدا کند.

در اپیتاکسی LED قرمز-زرد و سناریوهای خاص خاص، سقف MOCVD نیازی به محافظت از پوشش SiC ندارد و در عوض از محلول پوشش گرافیت پیرولیتیک استفاده می‌کند.

بوته های آلومینیوم تبخیر پرتو الکترونی به چگالی بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت شوک حرارتی خوب، هدایت حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین و مقاومت در برابر خوردگی توسط اسیدها، قلیایی ها، نمک ها و معرف های آلی نیاز دارند. از آنجایی که پوشش گرافیت پیرولیتیک مواد مشابهی با بوته گرافیتی دارد، می تواند به طور موثر در برابر چرخه دمای بالا مقاومت کند و عمر مفید بوته گرافیتی را افزایش دهد.**