¿Cuáles son las aplicaciones de los recubrimientos de SiC y TaC en el campo de los semiconductores?

¿Cómo se define en términos generales el sector de los semiconductores y cuáles son sus principales componentes?

El sector de los semiconductores se refiere en términos generales al uso de las propiedades de los materiales semiconductores para producir circuitos integrados (CI), pantallas semiconductoras (paneles LCD/OLED), iluminación semiconductora (LED) y productos energéticos semiconductores (fotovoltaicos) a través de procesos de fabricación de semiconductores relacionados. Los circuitos integrados representan hasta el 80% de este sector, por lo que, en sentido estricto, la industria de semiconductores a menudo se refiere específicamente a la industria de circuitos integrados.

En esencia, la fabricación de semiconductores implica la creación de estructuras de circuitos sobre un "sustrato" y la conexión de este circuito a sistemas externos de control y alimentación para lograr diversas funcionalidades. Los sustratos, término utilizado en la industria, pueden estar hechos de materiales semiconductores como Si o SiC, o de materiales no semiconductores como zafiro o vidrio. A excepción de las industrias de paneles y LED, las obleas de silicio son los sustratos más utilizados. La epitaxia se refiere al proceso de crecimiento de un nuevo material de película delgada sobre el sustrato, siendo los materiales comunes Si, SiC, GaN, GaAs, etc. La epitaxia proporciona una flexibilidad significativa para que los diseñadores de dispositivos optimicen el rendimiento del dispositivo controlando factores como el espesor del dopaje, concentración y perfil de la capa epitaxial, independientemente del sustrato. Este control se logra mediante dopaje durante el proceso de crecimiento epitaxial.

¿Qué comprende el proceso inicial en la fabricación de semiconductores?

El proceso inicial es la parte técnicamente más compleja y que requiere más capital de la fabricación de semiconductores, y requiere la repetición de los mismos procedimientos varias veces, por lo que se denomina "proceso cíclico". Incluye principalmente limpieza, oxidación, fotolitografía, grabado, implantación de iones, difusión, recocido, deposición de películas finas y pulido.

¿Cómo protegen los recubrimientos los equipos de fabricación de semiconductores?

Los equipos de fabricación de semiconductores funcionan en entornos altamente corrosivos y de alta temperatura y exigen una limpieza extremadamente alta. Por tanto, proteger los componentes internos del equipo es un desafío crucial. La tecnología de recubrimiento mejora y protege los materiales base formando una fina capa de cobertura en sus superficies. Esta adaptación permite que los materiales base resistan entornos de producción más extremos y complejos, mejorando su estabilidad a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación y extendiendo su vida útil.

¿Por qué esRecubrimiento de SiC¿Importante en el ámbito de la fabricación de sustratos de silicio?

En los hornos de crecimiento de cristales de silicio, el vapor de silicio a alta temperatura, alrededor de 1500 °C, puede corroer significativamente los componentes del material de grafito o carbono-carbono. Aplicar una alta purezaRecubrimiento de SiCsobre estos componentes puede bloquear eficazmente el vapor de silicio y extender la vida útil de los componentes.

El proceso de producción de obleas de silicio semiconductoras es complejo e implica numerosos pasos, siendo las etapas principales el crecimiento del cristal, la formación de obleas de silicio y el crecimiento epitaxial. El crecimiento de cristales es el proceso central en la producción de obleas de silicio. Durante la fase de preparación del monocristal, se determinan parámetros técnicos cruciales, como el diámetro de la oblea, la orientación del cristal, el tipo de conductividad del dopaje, el rango y distribución de resistividad, la concentración de carbono y oxígeno y los defectos de la red. El silicio monocristalino normalmente se prepara utilizando el método Czochralski (CZ) o el método de zona flotante (FZ). El método CZ es el más utilizado y representa aproximadamente el 85% de los monocristales de silicio. Las obleas de silicio de 12 pulgadas sólo se pueden producir mediante el método CZ. Este método implica colocar material de polisilicio de alta pureza en un crisol de cuarzo, fundirlo bajo la protección de un gas inerte de alta pureza y luego insertar una semilla de silicio monocristalino en la masa fundida. A medida que se arranca la semilla, el cristal crece hasta convertirse en una varilla de silicio monocristalino.

Cómo esRecubrimiento TaC¿Evolucionando con los métodos PVT?

Las características inherentes del SiC (falta de una fase líquida Si:C=1:1 a presión atmosférica) hacen que el crecimiento de monocristales sea un desafío. Actualmente, los métodos principales incluyen el transporte físico de vapor (PVT), la deposición química de vapor a alta temperatura (HT-CVD) y la epitaxia en fase líquida (LPE). Entre ellos, PVT es el más adoptado debido a sus menores requisitos de equipo, proceso más simple, fuerte controlabilidad y aplicaciones industriales establecidas.

El método PVT permite controlar los campos de temperatura axial y radial ajustando las condiciones de aislamiento térmico fuera del crisol de grafito. El polvo de SiC se coloca en el fondo más caliente del crisol de grafito, mientras que el cristal semilla de SiC se fija en la parte superior más fría. La distancia entre el polvo y la semilla normalmente se controla a varias decenas de milímetros para evitar el contacto entre el cristal de SiC en crecimiento y el polvo. Utilizando diferentes métodos de calentamiento (calentamiento por inducción o resistencia), el polvo de SiC se calienta a 2200-2500 °C, lo que hace que el polvo original se sublime y se descomponga en componentes gaseosos como Si, Si2C y SiC2. Estos gases son transportados hasta el extremo del cristal semilla por convección, donde el SiC cristaliza, logrando el crecimiento monocristalino. La tasa de crecimiento típica es de 0,2 a 0,4 mm/h, lo que requiere de 7 a 14 días para hacer crecer un lingote de cristal de 20 a 30 mm.

La presencia de inclusiones de carbono en cristales de SiC cultivados con PVT es una fuente importante de defectos, que contribuye a los microtubos y defectos polimórficos, que degradan la calidad de los cristales de SiC y limitan el rendimiento de los dispositivos basados ​​en SiC. Generalmente, la grafitización del polvo de SiC y un frente de crecimiento rico en carbono son fuentes reconocidas de inclusiones de carbono: 1) Durante la descomposición del polvo de SiC, el vapor de Si se acumula en la fase gaseosa mientras que el C se concentra en la fase sólida, lo que lleva a una carbonización severa del polvo. tarde en el crecimiento. Una vez que las partículas de carbono en el polvo superan la gravedad y se difunden en el lingote de SiC, se forman inclusiones de carbono. 2) En condiciones ricas en Si, el exceso de vapor de Si reacciona con la pared del crisol de grafito, formando una fina capa de SiC que puede descomponerse fácilmente en partículas de carbono y componentes que contienen Si.

Dos enfoques pueden abordar estos problemas: 1) Filtrar las partículas de carbono del polvo de SiC fuertemente carbonizado al final del crecimiento. 2) Evite que el vapor de Si corroa la pared del crisol de grafito. Muchos carburos, como el TaC, pueden funcionar de manera estable por encima de 2000 °C y resistir la corrosión química por ácidos, álcalis, NH3, H2 y vapor de Si. Con las crecientes demandas de calidad para las obleas de SiC, se está explorando industrialmente la aplicación de recubrimientos de TaC en la tecnología de crecimiento de cristales de SiC. Los estudios muestran que los cristales de SiC preparados utilizando componentes de grafito recubiertos de TaC en hornos de crecimiento PVT son más puros, con densidades de defectos significativamente reducidas, lo que mejora sustancialmente la calidad del cristal.

a) porosoTaC o grafito poroso recubierto de TaC: Filtra partículas de carbón, evita la difusión en el cristal y garantiza un flujo de aire uniforme.

b)recubierto de TaCanillos: aíslan el vapor de Si de la pared del crisol de grafito, evitando la corrosión de la pared del crisol por el vapor de Si.

do)recubierto de TaCGuías de flujo: aísle el vapor de Si de la pared del crisol de grafito mientras dirige el flujo de aire hacia el cristal semilla.

d)recubierto de TaCSoportes de cristal semilla: Aísle el vapor de Si de la cubierta superior del crisol para evitar la corrosión de la cubierta superior por el vapor de Si.

¿CómoRecubrimiento CVD SiC¿Beneficio en la fabricación de sustratos de GaN?

Actualmente, la producción comercial de sustratos de GaN comienza con la creación de una capa amortiguadora (o capa máscara) sobre un sustrato de zafiro. Luego se utiliza epitaxia en fase de vapor de hidrógeno (HVPE) para hacer crecer rápidamente una película de GaN sobre esta capa tampón, seguido de separación y pulido para obtener un sustrato de GaN independiente. ¿Cómo funciona el HVPE dentro de los reactores de cuarzo a presión atmosférica, dado su requisito de reacciones químicas tanto de baja como de alta temperatura?

En la zona de baja temperatura (800-900°C), el HCl gaseoso reacciona con el Ga metálico para producir GaCl gaseoso.

En la zona de alta temperatura (1000-1100°C), el GaCl gaseoso reacciona con el NH3 gaseoso para formar una película monocristalina de GaN.

¿Cuáles son los componentes estructurales de los equipos HVPE y cómo se protegen de la corrosión? El equipo HVPE puede ser horizontal o vertical y constar de componentes como el recipiente de galio, el cuerpo del horno, el reactor, el sistema de configuración de gas y el sistema de escape. Las bandejas y varillas de grafito que entran en contacto con NH3 son susceptibles a la corrosión y pueden protegerse con unRecubrimiento de SiCpara evitar daños.

¿Cuál es la importancia de la tecnología CVD sobre la fabricación de epitaxia de GaN?

En el campo de los dispositivos semiconductores, ¿por qué es necesario construir capas epitaxiales sobre determinados sustratos de oblea? Un ejemplo típico incluye los LED azul-verde, que requieren capas epitaxiales de GaN sobre sustratos de zafiro. El equipo MOCVD es vital en el proceso de producción de epitaxia de GaN, siendo los principales proveedores AMEC, Aixtron y Veeco en China.

¿Por qué no se pueden colocar sustratos directamente sobre bases metálicas o simples durante la deposición epitaxial en sistemas MOCVD? Se deben considerar factores como la dirección del flujo de gas (horizontal, vertical), la temperatura, la presión, la fijación del sustrato y la contaminación por desechos. Por lo tanto, se utiliza un susceptor con bolsas para sujetar los sustratos y se realiza el depósito epitaxial utilizando tecnología CVD sobre los sustratos colocados en estas bolsas. ElEl susceptor es una base de grafito con un revestimiento de SiC..

¿Cuál es la reacción química principal en la epitaxia de GaN y por qué es crucial la calidad del recubrimiento de SiC? La reacción principal son los subproductos NH3 + TMGa → GaN + (aproximadamente a 1050-1100 °C). Sin embargo, el NH3 se descompone térmicamente a altas temperaturas, liberando hidrógeno atómico, que reacciona fuertemente con el carbono del grafito. Dado que NH3/H2 no reacciona con SiC a 1100°C, la encapsulación completa y la calidad del recubrimiento de SiC son fundamentales para el proceso.

En el campo de la fabricación de epitaxia de SiC, ¿cómo se aplican los recubrimientos en los principales tipos de cámaras de reacción?

El SiC es un material politípico típico con más de 200 estructuras cristalinas diferentes, entre las cuales 3C-SiC, 4H-SiC y 6H-SiC son las más comunes. El 4H-SiC es la estructura cristalina que se utiliza predominantemente en los dispositivos convencionales. Un factor importante que influye en la estructura cristalina es la temperatura de reacción. Las temperaturas por debajo de un umbral específico tienden a producir otras formas cristalinas. La temperatura de reacción óptima está entre 1550 y 1650°C; Es más probable que las temperaturas inferiores a 1550 °C produzcan 3C-SiC y otras estructuras. Sin embargo, el 3C-SiC se utiliza habitualmente enRecubrimientos de SiC, y una temperatura de reacción de alrededor de 1600 °C está cerca del límite de 3C-SiC. Aunque la aplicación actual de recubrimientos de TaC está limitada por cuestiones de costes, a largo plazo,Recubrimientos de TaCSe espera que reemplacen gradualmente los recubrimientos de SiC en equipos epitaxiales de SiC.

Actualmente, existen tres tipos principales de sistemas CVD para epitaxia de SiC: pared caliente planetaria, pared caliente horizontal y pared caliente vertical. El sistema CVD planetario de pared caliente se caracteriza por su capacidad de cultivar múltiples obleas en un solo lote, lo que resulta en una alta eficiencia de producción. El sistema CVD de pared caliente horizontal generalmente implica un sistema de crecimiento de gran tamaño de una sola oblea impulsado por la rotación del flotador de gas, lo que facilita excelentes especificaciones dentro de la oblea. El sistema CVD de pared caliente vertical presenta principalmente una rotación de alta velocidad asistida por una base mecánica externa. Reduce eficazmente el espesor de la capa límite manteniendo una presión más baja en la cámara de reacción, mejorando así la tasa de crecimiento epitaxial. Además, el diseño de su cámara carece de una pared superior que podría provocar la deposición de partículas de SiC, lo que minimiza el riesgo de caída de partículas y proporciona una ventaja inherente en el control de defectos.

Para el procesamiento térmico a alta temperatura, ¿cuáles son las aplicaciones deCVD SiCen equipos de horno tubular?

Los equipos de hornos tubulares se utilizan ampliamente en procesos como oxidación, difusión, crecimiento de películas delgadas, recocido y aleación en la industria de semiconductores. Hay dos tipos principales: horizontales y verticales. Actualmente, la industria de circuitos integrados utiliza principalmente hornos de tubos verticales. Dependiendo de la presión del proceso y la aplicación, los equipos de hornos tubulares se pueden clasificar en hornos de presión atmosférica y hornos de baja presión. Los hornos a presión atmosférica se utilizan principalmente para el dopaje por difusión térmica, la oxidación de películas delgadas y el recocido a alta temperatura, mientras que los hornos de baja presión están diseñados para el crecimiento de varios tipos de películas delgadas (como LPCVD y ALD). Las estructuras de varios equipos de hornos tubulares son similares y se pueden configurar de manera flexible para realizar funciones de difusión, oxidación, recocido, LPCVD y ALD según sea necesario. Los tubos de SiC sinterizado de alta pureza, los recipientes de oblea de SiC y las paredes de revestimiento de SiC son componentes esenciales dentro de la cámara de reacción de los equipos de hornos tubulares. Dependiendo de los requisitos del cliente, un adicionalRecubrimiento de SiCSe puede aplicar una capa a la superficie de cerámicas de SiC sinterizadas para mejorar el rendimiento.

En el campo de la fabricación de silicio granular fotovoltaico, ¿por qué?Recubrimiento de SiC¿Desempeñando un papel fundamental?

El polisilicio, derivado del silicio de grado metalúrgico (o silicio industrial), es un material no metálico purificado mediante una serie de reacciones físicas y químicas para lograr un contenido de silicio superior al 99,9999% (6N). En el campo fotovoltaico, el polisilicio se procesa en obleas, células y módulos, que en última instancia se utilizan en sistemas de generación de energía fotovoltaica, lo que convierte al polisilicio en un componente fundamental de la cadena de la industria fotovoltaica. Actualmente, existen dos rutas tecnológicas para la producción de polisilicio: el proceso Siemens modificado (que produce silicio en forma de varilla) y el proceso de lecho fluidizado con silano (que produce silicio granular). En el proceso modificado de Siemens, el SiHCl3 de alta pureza se reduce mediante hidrógeno de alta pureza sobre un núcleo de silicio de alta pureza a aproximadamente 1150 °C, lo que da como resultado una deposición de polisilicio en el núcleo de silicio. El proceso de lecho fluidizado de silano normalmente utiliza SiH4 como gas fuente de silicio y H2 como gas portador, con la adición de SiCl4 para descomponer térmicamente el SiH4 en un reactor de lecho fluidizado a 600-800 °C para producir polisilicio granular. El proceso modificado de Siemens sigue siendo la ruta principal de producción de polisilicio debido a su tecnología de producción relativamente madura. Sin embargo, a medida que empresas como GCL-Poly y Tianhong Reike continúen avanzando en la tecnología de silicio granular, el proceso de lecho fluidizado con silano puede ganar participación de mercado debido a su menor costo y menor huella de carbono.

Históricamente, el control de la pureza del producto ha sido un punto débil del proceso de lecho fluidizado, lo cual es una de las razones principales por las que no ha superado al proceso de Siemens a pesar de sus importantes ventajas de costos. El revestimiento sirve como estructura principal y recipiente de reacción del proceso de lecho fluidizado de silano, protegiendo la carcasa metálica del reactor de la erosión y el desgaste por gases y materiales de alta temperatura mientras aísla y mantiene la temperatura del material. Debido a las duras condiciones de trabajo y al contacto directo con el silicio granular, el material de revestimiento debe presentar alta pureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y alta resistencia. Los materiales comunes incluyen grafito con unRecubrimiento de SiC. Sin embargo, en el uso real, se producen casos de desprendimiento/agrietamiento del revestimiento que provocan un contenido excesivo de carbono en el silicio granular, lo que da como resultado una vida útil corta de los revestimientos de grafito y la necesidad de un reemplazo regular, clasificándolos como consumibles. Los desafíos técnicos relacionados con los materiales de revestimiento del lecho fluidizado recubiertos de SiC y sus altos costos obstaculizan la adopción en el mercado del proceso de lecho fluidizado con silano y deben abordarse para una aplicación más amplia.

¿En qué aplicaciones se utiliza el recubrimiento de grafito pirolítico?

El grafito pirolítico es un nuevo material de carbono, que consiste en hidrocarburos de alta pureza depositados químicamente al vapor a presiones de horno entre 1800 °C y 2000 °C, lo que da como resultado un carbono pirolítico altamente orientado cristalográficamente. Presenta alta densidad (2,20 g/cm³), alta pureza y propiedades térmicas, eléctricas, magnéticas y mecánicas anisotrópicas. Puede mantener un vacío de 10 mmHg incluso a aproximadamente 1800 °C, encontrando un amplio potencial de aplicación en campos como el aeroespacial, los semiconductores, la energía fotovoltaica y los instrumentos analíticos.

En epitaxia de LED rojo-amarillo y ciertos escenarios especiales, el techo MOCVD no requiere protección de recubrimiento de SiC y en su lugar utiliza una solución de recubrimiento de grafito pirolítico.

Los crisoles para aluminio por evaporación por haz de electrones requieren alta densidad, resistencia a altas temperaturas, buena resistencia al choque térmico, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica y resistencia a la corrosión por ácidos, álcalis, sales y reactivos orgánicos. Dado que el recubrimiento de grafito pirolítico comparte el mismo material que el crisol de grafito, puede resistir eficazmente ciclos de temperatura alta y baja, lo que extiende la vida útil del crisol de grafito.**