Quais são as aplicações dos revestimentos SiC e TaC no campo de semicondutores?

Como o setor de semicondutores é amplamente definido e quais são seus principais componentes?

O setor de semicondutores refere-se amplamente ao uso de propriedades de materiais semicondutores para produzir circuitos integrados semicondutores (CIs), displays semicondutores (painéis LCD/OLED), iluminação semicondutora (LED) e produtos de energia semicondutores (fotovoltaicos) através de processos de fabricação de semicondutores relacionados. Os circuitos integrados representam até 80% deste sector, pelo que, em termos restritos, a indústria de semicondutores refere-se frequentemente especificamente à indústria de CI.

Em essência, a fabricação de semicondutores envolve a criação de estruturas de circuito em um “substrato” e a conexão desse circuito a sistemas externos de alimentação e controle para obter diversas funcionalidades. Os substratos, um termo usado na indústria, podem ser feitos de materiais semicondutores como Si ou SiC, ou materiais não semicondutores como safira ou vidro. Exceto para as indústrias de LED e painéis, os wafers de silício são os substratos mais comumente usados. Epitaxia refere-se ao processo de crescimento de um novo material de película fina no substrato, sendo os materiais comuns Si, SiC, GaN, GaAs, etc. A epitaxia fornece flexibilidade significativa para projetistas de dispositivos otimizarem o desempenho do dispositivo controlando fatores como a espessura de dopagem, concentração e perfil da camada epitaxial, independente do substrato. Esse controle é conseguido através do doping durante o processo de crescimento epitaxial.

O que compreende o processo front-end na fabricação de semicondutores?

O processo front-end é a parte tecnicamente mais complexa e de capital intensivo da fabricação de semicondutores, exigindo a repetição dos mesmos procedimentos várias vezes, por isso é denominado “processo cíclico”. Inclui principalmente limpeza, oxidação, fotolitografia, ataque químico, implantação iônica, difusão, recozimento, deposição de filme fino e polimento.

Como os revestimentos protegem os equipamentos de fabricação de semicondutores?

Os equipamentos de fabricação de semicondutores operam em ambientes de alta temperatura e altamente corrosivos e exigem limpeza extremamente elevada. Assim, proteger os componentes internos do equipamento é um desafio crucial. A tecnologia de revestimento melhora e protege os materiais de base, formando uma fina camada de cobertura em suas superfícies. Esta adaptação permite que os materiais de base resistam a ambientes de produção mais extremos e complexos, melhorando a sua estabilidade a altas temperaturas, resistência à corrosão, resistência à oxidação e prolongando a sua vida útil.

Por que éRevestimento de SiCSignificativo no domínio da fabricação de substrato de silício?

Em fornos de crescimento de cristais de silício, o vapor de silício em alta temperatura em torno de 1500°C pode corroer significativamente os componentes de grafite ou carbono-carbono. Aplicando um produto de alta purezaRevestimento de SiCnesses componentes pode bloquear efetivamente o vapor de silício e prolongar a vida útil dos componentes.

O processo de produção de pastilhas de silício semicondutoras é complexo, envolvendo inúmeras etapas, sendo o crescimento do cristal, a formação da pastilha de silício e o crescimento epitaxial os estágios primários. O crescimento do cristal é o processo central na produção de wafers de silício. Durante a fase de preparação do cristal único, são determinados parâmetros técnicos cruciais, como diâmetro do wafer, orientação do cristal, tipo de condutividade de dopagem, faixa e distribuição de resistividade, concentração de carbono e oxigênio e defeitos de rede. O silício monocristalino é normalmente preparado usando o método Czochralski (CZ) ou o método Float Zone (FZ). O método CZ é o mais comumente utilizado, representando cerca de 85% dos monocristais de silício. Wafers de silício de 12 polegadas só podem ser produzidos usando o método CZ. Este método envolve colocar material de polissilício de alta pureza em um cadinho de quartzo, derretê-lo sob a proteção de gás inerte de alta pureza e, em seguida, inserir uma semente de silício de cristal único no fundido. À medida que a semente é arrancada, o cristal se transforma em uma haste de silício monocristalino.

Como éRevestimento TaCEvoluindo com métodos PVT?

As características inerentes do SiC (falta de uma fase líquida Si:C = 1:1 à pressão atmosférica) tornam o crescimento do monocristal um desafio. Atualmente, os métodos convencionais incluem Transporte Físico de Vapor (PVT), Deposição Química de Vapor em Alta Temperatura (HT-CVD) e Epitaxia em Fase Líquida (LPE). Entre estes, o PVT é o mais amplamente adotado devido aos seus menores requisitos de equipamento, processo mais simples, forte controlabilidade e aplicações industriais estabelecidas.

O método PVT permite o controle dos campos de temperatura axial e radial ajustando as condições de isolamento térmico fora do cadinho de grafite. O pó de SiC é colocado na parte inferior mais quente do cadinho de grafite, enquanto o cristal de semente de SiC é fixado na parte superior mais fria. A distância entre o pó e a semente é normalmente controlada em várias dezenas de milímetros para evitar o contato entre o cristal de SiC em crescimento e o pó. Usando diferentes métodos de aquecimento (aquecimento por indução ou resistência), o pó de SiC é aquecido a 2.200-2500°C, fazendo com que o pó original sublime e se decomponha em componentes gasosos como Si, Si2C e SiC2. Esses gases são transportados para a extremidade do cristal semente por convecção, onde o SiC cristaliza, alcançando o crescimento do cristal único. A taxa de crescimento típica é de 0,2 a 0,4 mm/h, exigindo de 7 a 14 dias para crescer um lingote de cristal de 20 a 30 mm.

A presença de inclusões de carbono em cristais de SiC cultivados em PVT é uma fonte significativa de defeitos, contribuindo para microtubos e defeitos polimórficos, que degradam a qualidade dos cristais de SiC e limitam o desempenho de dispositivos baseados em SiC. Geralmente, a grafitização do pó de SiC e uma frente de crescimento rica em carbono são fontes reconhecidas de inclusões de carbono: 1) Durante a decomposição do pó de SiC, o vapor de Si se acumula na fase gasosa enquanto o C se concentra na fase sólida, levando à carbonização severa do pó tarde no crescimento. Uma vez que as partículas de carbono no pó superam a gravidade e se difundem no lingote de SiC, formam-se inclusões de carbono. 2) Sob condições ricas em Si, o excesso de vapor de Si reage com a parede do cadinho de grafite, formando uma fina camada de SiC que pode facilmente se decompor em partículas de carbono e componentes contendo Si.

Duas abordagens podem resolver esses problemas: 1) Filtrar partículas de carbono de pó de SiC fortemente carbonizado no final do crescimento. 2) Evite que o vapor de Si corroa a parede do cadinho de grafite. Muitos carbonetos, como o TaC, podem operar de forma estável acima de 2.000°C e resistir à corrosão química por ácidos, álcalis, NH3, H2 e vapor de Si. Com as crescentes demandas de qualidade para wafers de SiC, a aplicação de revestimentos de TaC na tecnologia de crescimento de cristais de SiC está sendo explorada industrialmente. Estudos mostram que os cristais de SiC preparados com componentes de grafite revestidos com TaC em fornos de crescimento PVT são mais puros, com densidades de defeitos significativamente reduzidas, melhorando substancialmente a qualidade do cristal.

a) PorosoGrafite porosa revestida com TaC ou TaC: Filtra partículas de carbono, evita a difusão no cristal e garante um fluxo de ar uniforme.

b)Revestido com TaCanéis: Isole o vapor de Si da parede do cadinho de grafite, evitando a corrosão da parede do cadinho pelo vapor de Si.

c)Revestido com TaCguias de fluxo: isolam o vapor de Si da parede do cadinho de grafite enquanto direcionam o fluxo de ar em direção ao cristal semente.

e)Revestido com TaCporta-cristais de sementes: Isole o vapor de Si da tampa superior do cadinho para evitar a corrosão da tampa superior pelo vapor de Si.

Como é queRevestimento SiC CVDBenefício na fabricação de substrato GaN?

Atualmente, a produção comercial de substratos de GaN começa com a criação de uma camada tampão (ou camada de máscara) sobre um substrato de safira. A Epitaxia de Fase de Vapor de Hidrogênio (HVPE) é então usada para crescer rapidamente um filme de GaN nesta camada tampão, seguida de separação e polimento para obter um substrato de GaN independente. Como o HVPE opera em reatores de quartzo à pressão atmosférica, dada a sua necessidade de reações químicas em baixa e alta temperatura?

Na zona de baixa temperatura (800-900°C), o HCl gasoso reage com o Ga metálico para produzir GaCl gasoso.

Na zona de alta temperatura (1000-1100°C), o GaCl gasoso reage com o NH3 gasoso para formar um filme monocristalino de GaN.

Quais são os componentes estruturais dos equipamentos HVPE e como são protegidos contra a corrosão? O equipamento HVPE pode ser horizontal ou vertical, consistindo em componentes como barco de gálio, corpo do forno, reator, sistema de configuração de gás e sistema de exaustão. Bandejas e varetas de grafite, que entram em contato com NH3, são suscetíveis à corrosão e podem ser protegidas com umRevestimento de SiCpara evitar danos.

Qual é a importância da tecnologia CVD sobre a fabricação de epitaxia GaN?

No campo dos dispositivos semicondutores, por que é necessário construir camadas epitaxiais em certos substratos de wafer? Um exemplo típico inclui LEDs azul-esverdeados, que requerem camadas epitaxiais de GaN em substratos de safira. O equipamento MOCVD é vital no processo de produção de epitaxia GaN, sendo os principais fornecedores AMEC, Aixtron e Veeco na China.

Por que os substratos não podem ser colocados diretamente sobre bases metálicas ou simples durante a deposição epitaxial em sistemas MOCVD? Fatores como direção do fluxo de gás (horizontal, vertical), temperatura, pressão, fixação do substrato e contaminação por detritos devem ser considerados. Portanto, um susceptor com bolsas é utilizado para segurar os substratos, e a deposição epitaxial é realizada usando tecnologia CVD em substratos colocados nessas bolsas. Osusceptor é uma base de grafite com revestimento de SiC.

Qual é a reação química central na epitaxia de GaN e por que a qualidade do revestimento de SiC é crucial? A reação central é NH3 + TMGa → GaN + subprodutos (a aproximadamente 1050-1100°C). No entanto, o NH3 se decompõe termicamente em altas temperaturas, liberando hidrogênio atômico, que reage fortemente com o carbono do grafite. Como o NH3/H2 não reage com o SiC a 1100°C, o encapsulamento completo e a qualidade do revestimento de SiC são críticos para o processo.

No campo da fabricação de SiC Epitaxy, como os revestimentos são aplicados nos principais tipos de câmaras de reação?

O SiC é um material politípico típico com mais de 200 estruturas cristalinas diferentes, entre as quais 3C-SiC, 4H-SiC e 6H-SiC são as mais comuns. O 4H-SiC é a estrutura cristalina usada predominantemente em dispositivos convencionais. Um fator significativo que influencia a estrutura cristalina é a temperatura de reação. Temperaturas abaixo de um limite específico tendem a produzir outras formas cristalinas. A temperatura ótima de reação está entre 1550 e 1650°C; temperaturas abaixo de 1550°C têm maior probabilidade de produzir 3C-SiC e outras estruturas. No entanto, o 3C-SiC é comumente usado emRevestimentos de SiC, e uma temperatura de reação em torno de 1600°C está próxima do limite de 3C-SiC. Embora a aplicação atual de revestimentos TaC seja limitada por questões de custo, a longo prazo,Revestimentos TaCespera-se que substituam gradualmente os revestimentos de SiC em equipamentos epitaxiais de SiC.

Atualmente, existem três tipos principais de sistemas CVD para epitaxia de SiC: parede quente planetária, parede quente horizontal e parede quente vertical. O sistema CVD planetário de parede quente é caracterizado por sua capacidade de cultivar vários wafers em um único lote, resultando em alta eficiência de produção. O sistema CVD de parede quente horizontal normalmente envolve um sistema de crescimento de tamanho grande e de wafer único, acionado pela rotação do flutuador de gás, o que facilita excelentes especificações intra-wafer. O sistema CVD vertical de parede quente apresenta principalmente rotação de alta velocidade assistida por uma base mecânica externa. Reduz eficazmente a espessura da camada limite, mantendo uma pressão mais baixa na câmara de reação, aumentando assim a taxa de crescimento epitaxial. Além disso, o design da sua câmara carece de uma parede superior que poderia levar à deposição de partículas de SiC, minimizando o risco de queda de partículas e proporcionando uma vantagem inerente no controle de defeitos.

Para processamento térmico de alta temperatura, quais são as aplicações deSiC CVDem equipamentos de forno tubular?

O equipamento de forno tubular é amplamente utilizado em processos como oxidação, difusão, crescimento de filmes finos, recozimento e ligas na indústria de semicondutores. Existem dois tipos principais: horizontais e verticais. Atualmente, a indústria de IC utiliza principalmente fornos tubulares verticais. Dependendo da pressão do processo e da aplicação, os equipamentos de forno tubular podem ser categorizados em fornos de pressão atmosférica e fornos de baixa pressão. Os fornos de pressão atmosférica são usados ​​principalmente para dopagem por difusão térmica, oxidação de filmes finos e recozimento de alta temperatura, enquanto os fornos de baixa pressão são projetados para o crescimento de vários tipos de filmes finos (como LPCVD e ALD). As estruturas de vários equipamentos de forno tubular são semelhantes e podem ser configuradas de forma flexível para executar funções de difusão, oxidação, recozimento, LPCVD e ALD conforme necessário. Tubos de SiC sinterizados de alta pureza, barcos de wafer de SiC e paredes de revestimento de SiC são componentes essenciais dentro da câmara de reação do equipamento do forno tubular. Dependendo dos requisitos do cliente, um adicionalRevestimento de SiCcamada pode ser aplicada à superfície da cerâmica SiC sinterizada para melhorar o desempenho.

No campo da fabricação de silício granular fotovoltaico, por que éRevestimento de SiCDesempenhando um papel fundamental?

O polissilício, derivado do silício de grau metalúrgico (ou silício industrial), é um material não metálico purificado por meio de uma série de reações físicas e químicas para atingir um teor de silício superior a 99,9999% (6N). No campo fotovoltaico, o polissilício é processado em wafers, células e módulos, que são utilizados em sistemas de geração de energia fotovoltaica, tornando o polissilício um componente crucial a montante da cadeia da indústria fotovoltaica. Atualmente, existem duas rotas tecnológicas para a produção de polissilício: o processo Siemens modificado (produzindo silício em forma de bastão) e o processo de leito fluidizado de silano (produzindo silício granular). No processo modificado da Siemens, o SiHCl3 de alta pureza é reduzido pelo hidrogênio de alta pureza em um núcleo de silício de alta pureza a cerca de 1150°C, resultando na deposição de polissilício no núcleo de silício. O processo de leito fluidizado de silano normalmente usa SiH4 como gás fonte de silício e H2 como gás transportador, com a adição de SiCl4 para decompor termicamente SiH4 em um reator de leito fluidizado a 600-800°C para produzir polissilício granular. O processo modificado da Siemens continua sendo a principal rota de produção de polissilício devido à sua tecnologia de produção relativamente madura. No entanto, à medida que empresas como GCL-Poly e Tianhong Reike continuam a avançar na tecnologia de silício granular, o processo de leito fluidizado de silano pode ganhar participação de mercado devido ao seu custo mais baixo e à redução da pegada de carbono.

O controle de pureza do produto tem sido historicamente um ponto fraco do processo de leito fluidizado, o que é a principal razão pela qual ele não superou o processo da Siemens, apesar de suas significativas vantagens de custo. O revestimento serve como estrutura principal e vaso de reação do processo de leito fluidizado de silano, protegendo o invólucro metálico do reator contra erosão e desgaste por gases e materiais de alta temperatura, ao mesmo tempo que isola e mantém a temperatura do material. Devido às duras condições de trabalho e ao contato direto com o silício granular, o material de revestimento deve apresentar alta pureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e alta resistência. Os materiais comuns incluem grafite com umRevestimento de SiC. Porém, na utilização real, há ocorrências de descascamento/rachaduras do revestimento que levam ao teor excessivo de carbono no silício granular, resultando em uma vida útil curta dos revestimentos de grafite e na necessidade de substituição regular, classificando-os como consumíveis. Os desafios técnicos relacionados aos materiais de revestimento de leito fluidizado revestidos com SiC e seus altos custos dificultam a adoção pelo mercado do processo de leito fluidizado de silano e devem ser abordados para uma aplicação mais ampla.

Em quais aplicações o revestimento pirolítico de grafite é utilizado?

A grafite pirolítica é um novo material de carbono, consistindo de hidrocarbonetos de alta pureza depositados quimicamente por vapor em pressões de forno entre 1800°C e 2000°C, resultando em carbono pirolítico altamente orientado cristalograficamente. Possui alta densidade (2,20 g/cm³), alta pureza e propriedades anisotrópicas térmicas, elétricas, magnéticas e mecânicas. Ele pode manter um vácuo de 10mmHg mesmo a aproximadamente 1800°C, encontrando amplo potencial de aplicação em áreas como aeroespacial, semicondutores, energia fotovoltaica e instrumentos analíticos.

Na epitaxia de LED vermelho-amarelo e em certos cenários especiais, o teto MOCVD não requer proteção de revestimento de SiC e, em vez disso, usa uma solução de revestimento de grafite pirolítica.

Cadinhos para evaporação por feixe de elétrons de alumínio requerem alta densidade, resistência a altas temperaturas, boa resistência ao choque térmico, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica e resistência à corrosão por ácidos, álcalis, sais e reagentes orgânicos. Como o revestimento pirolítico de grafite compartilha o mesmo material que o cadinho de grafite, ele pode suportar efetivamente ciclos de alta e baixa temperatura, prolongando a vida útil do cadinho de grafite.**