Quali sono le applicazioni dei rivestimenti SiC e TaC nel campo dei semiconduttori?

Come viene definito in generale il settore dei semiconduttori e quali sono le sue componenti principali?

Il settore dei semiconduttori si riferisce in generale all’uso delle proprietà dei materiali semiconduttori per produrre circuiti integrati a semiconduttori (IC), display a semiconduttori (pannelli LCD/OLED), illuminazione a semiconduttori (LED) e prodotti energetici a semiconduttori (fotovoltaico) attraverso i relativi processi di produzione di semiconduttori. I circuiti integrati rappresentano fino all'80% di questo settore, quindi, in senso stretto, l'industria dei semiconduttori si riferisce spesso specificamente all'industria dei circuiti integrati.

In sostanza, la produzione di semiconduttori comporta la creazione di strutture circuitali su un “substrato” e il collegamento di questo circuito a sistemi di alimentazione e controllo esterni per ottenere varie funzionalità. I substrati, termine utilizzato nel settore, possono essere costituiti da materiali semiconduttori come Si o SiC, o materiali non semiconduttori come zaffiro o vetro. Fatta eccezione per l'industria dei LED e dei pannelli, i wafer di silicio sono i substrati più comunemente utilizzati. L'epitassia si riferisce al processo di crescita di un nuovo materiale a film sottile sul substrato, con materiali comuni come Si, SiC, GaN, GaAs, ecc. L'epitassia offre una flessibilità significativa ai progettisti di dispositivi per ottimizzare le prestazioni del dispositivo controllando fattori come lo spessore del drogaggio, concentrazione e profilo dello strato epitassiale, indipendente dal substrato. Questo controllo si ottiene attraverso il drogaggio durante il processo di crescita epitassiale.

Cosa comprende il processo front-end nella produzione di semiconduttori?

Il processo front-end è la parte tecnicamente più complessa e ad alta intensità di capitale della produzione di semiconduttori, che richiede la ripetizione delle stesse procedure più volte, da qui definita “processo ciclico”. Comprende principalmente la pulizia, l'ossidazione, la fotolitografia, l'incisione, l'impianto ionico, la diffusione, la ricottura, la deposizione di film sottile e la lucidatura.

In che modo i rivestimenti proteggono le apparecchiature per la produzione di semiconduttori?

Le apparecchiature per la produzione di semiconduttori operano in ambienti ad alta temperatura e altamente corrosivi e richiedono una pulizia estremamente elevata. Pertanto, proteggere i componenti interni delle apparecchiature è una sfida cruciale. La tecnologia di rivestimento valorizza e protegge i materiali di base formando un sottile strato coprente sulle loro superfici. Questo adattamento consente ai materiali di base di resistere ad ambienti di produzione più estremi e complessi, migliorandone la stabilità alle alte temperature, la resistenza alla corrosione, la resistenza all'ossidazione e prolungandone la durata.

Perché èRivestimento SiCSignificativo nel settore della produzione di substrati di silicio?

Nei forni per la crescita dei cristalli di silicio, il vapore di silicio ad alta temperatura intorno a 1500°C può corrodere in modo significativo la grafite o i componenti dei materiali carbonio-carbonio. Applicazione di un'elevata purezzaRivestimento SiCsu questi componenti possono bloccare efficacemente i vapori di silicio e prolungare la durata dei componenti.

Il processo di produzione dei wafer di silicio semiconduttori è complesso e prevede numerose fasi, tra cui la crescita dei cristalli, la formazione dei wafer di silicio e la crescita epitassiale come fasi principali. La crescita dei cristalli è il processo principale nella produzione di wafer di silicio. Durante la fase di preparazione del singolo cristallo, vengono determinati parametri tecnici cruciali come il diametro del wafer, l'orientamento dei cristalli, il tipo di conduttività del drogaggio, l'intervallo e la distribuzione della resistività, la concentrazione di carbonio e ossigeno e i difetti del reticolo. Il silicio monocristallino viene generalmente preparato utilizzando il metodo Czochralski (CZ) o il metodo Float Zone (FZ). Il metodo CZ è quello più comunemente utilizzato e rappresenta circa l'85% dei monocristalli di silicio. I wafer di silicio da 12 pollici possono essere prodotti solo utilizzando il metodo CZ. Questo metodo prevede il posizionamento del materiale in polisilicio di elevata purezza in un crogiolo di quarzo, la sua fusione sotto la protezione di gas inerte di elevata purezza e quindi l'inserimento di un seme di silicio monocristallino nella massa fusa. Quando il seme viene estratto, il cristallo si trasforma in un bastoncino di silicio monocristallino.

Com'èRivestimento TaCEvolversi con i metodi PVT?

Le caratteristiche intrinseche del SiC (mancanza di una fase liquida Si:C=1:1 a pressione atmosferica) rendono difficile la crescita del singolo cristallo. Attualmente, i metodi tradizionali includono il trasporto fisico del vapore (PVT), la deposizione chimica del vapore ad alta temperatura (HT-CVD) e l'epitassia in fase liquida (LPE). Tra questi, il PVT è il più ampiamente adottato grazie ai minori requisiti di apparecchiature, al processo più semplice, alla forte controllabilità e alle applicazioni industriali consolidate.

Il metodo PVT consente il controllo dei campi di temperatura assiali e radiali regolando le condizioni di isolamento termico all'esterno del crogiolo di grafite. La polvere di SiC viene posizionata sul fondo più caldo del crogiolo di grafite, mentre il seme di cristallo di SiC è fissato sulla parte superiore più fredda. La distanza tra la polvere e il seme viene generalmente controllata a diverse decine di millimetri per evitare il contatto tra il cristallo di SiC in crescita e la polvere. Utilizzando diversi metodi di riscaldamento (riscaldamento a induzione o a resistenza), la polvere di SiC viene riscaldata a 2200-2500°C, provocando la sublimazione e la decomposizione della polvere originale in componenti gassosi come Si, Si2C e SiC2. Questi gas vengono trasportati all'estremità del cristallo seme per convezione, dove il SiC cristallizza, ottenendo una crescita monocristallina. Il tasso di crescita tipico è di 0,2-0,4 mm/ora e richiede 7-14 giorni per far crescere un lingotto di cristallo da 20-30 mm.

La presenza di inclusioni di carbonio nei cristalli di SiC cresciuti con PVT è una significativa fonte di difetti, che contribuisce alla formazione di microtubi e difetti polimorfici, che degradano la qualità dei cristalli di SiC e limitano le prestazioni dei dispositivi basati su SiC. In generale, la grafitizzazione della polvere di SiC e un fronte di crescita ricco di carbonio sono fonti riconosciute di inclusioni di carbonio: 1) Durante la decomposizione della polvere di SiC, il vapore di Si si accumula nella fase gassosa mentre il C si concentra nella fase solida, portando a una grave carbonizzazione della polvere tardi nella crescita. Una volta che le particelle di carbonio nella polvere superano la gravità e si diffondono nel lingotto di SiC, si formano inclusioni di carbonio. 2) In condizioni ricche di Si, il vapore di Si in eccesso reagisce con la parete del crogiolo di grafite, formando un sottile strato di SiC che può facilmente decomporsi in particelle di carbonio e componenti contenenti Si.

Due approcci possono affrontare questi problemi: 1) Filtrare le particelle di carbonio dalla polvere di SiC fortemente carbonizzata in fase avanzata di crescita. 2) Evitare che i vapori di Si corrodano la parete del crogiolo di grafite. Molti carburi, come il TaC, possono funzionare stabilmente sopra i 2000°C e resistere alla corrosione chimica da parte di acidi, alcali, NH3, H2 e vapore di Si. Con le crescenti richieste di qualità per i wafer SiC, l'applicazione dei rivestimenti TaC nella tecnologia di crescita dei cristalli SiC viene esplorata a livello industriale. Gli studi dimostrano che i cristalli di SiC preparati utilizzando componenti di grafite rivestiti di TaC nei forni di crescita PVT sono più puri, con densità di difetti significativamente ridotte, migliorando sostanzialmente la qualità dei cristalli.

a) PorosoTaC o grafite porosa rivestita di TaC: Filtra le particelle di carbonio, previene la diffusione nel cristallo e garantisce un flusso d'aria uniforme.

B)Rivestimento TaCanelli: isolano il vapore di Si dalla parete del crogiolo di grafite, prevenendo la corrosione della parete del crogiolo da parte del vapore di Si.

C)Rivestimento TaCguide di flusso: isolano il vapore di Si dalla parete del crogiolo di grafite dirigendo il flusso d'aria verso il cristallo seme.

D)Rivestimento TaCsupporti dei cristalli di semi: isolare il vapore di Si dal coperchio superiore del crogiolo per prevenire la corrosione del coperchio superiore da parte dei vapori di Si.

Come funzionaRivestimento SiC CVDVantaggio nella produzione di substrati GaN?

Attualmente, la produzione commerciale di substrati di GaN inizia con la creazione di uno strato tampone (o strato maschera) su un substrato di zaffiro. L'epitassia in fase di vapore di idrogeno (HVPE) viene quindi utilizzata per far crescere rapidamente una pellicola di GaN su questo strato tampone, seguita da separazione e lucidatura per ottenere un substrato di GaN indipendente. Come funziona l'HVPE all'interno dei reattori al quarzo a pressione atmosferica, dati i suoi requisiti per reazioni chimiche sia a bassa che ad alta temperatura?

Nella zona a bassa temperatura (800-900°C), l'HCl gassoso reagisce con il Ga metallico per produrre GaCl gassoso.

Nella zona ad alta temperatura (1000-1100°C), il GaCl gassoso reagisce con l'NH3 gassoso per formare una pellicola monocristallina di GaN.

Quali sono i componenti strutturali delle apparecchiature HVPE e come sono protetti dalla corrosione? Le apparecchiature HVPE possono essere orizzontali o verticali e costituite da componenti come la barca del gallio, il corpo del forno, il reattore, il sistema di configurazione del gas e il sistema di scarico. I vassoi e le barre di grafite, che entrano in contatto con NH3, sono suscettibili alla corrosione e possono essere protetti con unRivestimento SiCper evitare danni.

Qual è l'importanza della tecnologia CVD rispetto alla produzione epitassia GaN?

Nel campo dei dispositivi a semiconduttore, perché è necessario costruire strati epitassiali su alcuni substrati wafer? Un tipico esempio include i LED blu-verdi, che richiedono strati epitassiali di GaN su substrati di zaffiro. Le apparecchiature MOCVD sono vitali nel processo di produzione dell'epitassia GaN, i principali fornitori sono AMEC, Aixtron e Veeco in Cina.

Perché i substrati non possono essere posizionati direttamente su metallo o basi semplici durante la deposizione epitassiale nei sistemi MOCVD? È necessario considerare fattori quali la direzione del flusso del gas (orizzontale, verticale), la temperatura, la pressione, il fissaggio del substrato e la contaminazione da detriti. Pertanto, viene utilizzato un suscettore con tasche per trattenere i substrati e la deposizione epitassiale viene eseguita utilizzando la tecnologia CVD sui substrati posizionati in queste tasche. ILil suscettore è una base di grafite con rivestimento in SiC.

Qual è la reazione chimica fondamentale nell'epitassia del GaN e perché la qualità del rivestimento SiC è fondamentale? La reazione principale è NH3 + TMGa → GaN + sottoprodotti (a circa 1050-1100°C). Tuttavia, l'NH3 si decompone termicamente ad alte temperature, liberando idrogeno atomico, che reagisce fortemente con il carbonio presente nella grafite. Poiché NH3/H2 non reagisce con il SiC a 1100°C, il completo incapsulamento e la qualità del rivestimento SiC sono fondamentali per il processo.

Nel campo della produzione epitassiale del SiC, come vengono applicati i rivestimenti all'interno dei tipi tradizionali di camere di reazione?

Il SiC è un tipico materiale politipico con oltre 200 strutture cristalline diverse, tra cui 3C-SiC, 4H-SiC e 6H-SiC sono le più comuni. Il 4H-SiC è la struttura cristallina utilizzata prevalentemente nei dispositivi tradizionali. Un fattore significativo che influenza la struttura cristallina è la temperatura di reazione. Le temperature al di sotto di una soglia specifica tendono a produrre altre forme cristalline. La temperatura ottimale di reazione è compresa tra 1550 e 1650°C; temperature inferiori a 1550°C hanno maggiori probabilità di produrre 3C-SiC e altre strutture. Tuttavia, il 3C-SiC è comunemente usato inRivestimenti SiCe una temperatura di reazione di circa 1600°C è vicina al limite di 3C-SiC. Sebbene l’attuale applicazione dei rivestimenti TaC sia limitata da problemi di costo, a lungo termine,Rivestimenti TaCsi prevede che sostituiranno gradualmente i rivestimenti SiC nelle apparecchiature epitassiali SiC.

Attualmente, esistono tre tipi principali di sistemi CVD per l'epitassia del SiC: parete calda planetaria, parete calda orizzontale e parete calda verticale. Il sistema CVD planetario a pareti calde è caratterizzato dalla sua capacità di far crescere più wafer in un unico lotto, con conseguente elevata efficienza produttiva. Il sistema CVD a pareti calde orizzontali prevede tipicamente un sistema di crescita di grandi dimensioni a wafer singolo, guidato dalla rotazione del galleggiante del gas, che facilita eccellenti specifiche intra-wafer. Il sistema CVD verticale a pareti calde è caratterizzato principalmente da una rotazione ad alta velocità assistita da una base meccanica esterna. Riduce efficacemente lo spessore dello strato limite mantenendo una pressione della camera di reazione più bassa, migliorando così il tasso di crescita epitassiale. Inoltre, il design della camera è privo di una parete superiore che potrebbe portare alla deposizione di particelle di SiC, riducendo al minimo il rischio di caduta delle particelle e fornendo un vantaggio intrinseco nel controllo dei difetti.

Per il trattamento termico ad alta temperatura, quali sono le applicazioniCVD SiCnelle apparecchiature per forni tubolari?

Le apparecchiature per forni tubolari sono ampiamente utilizzate in processi quali ossidazione, diffusione, crescita di film sottile, ricottura e lega nell'industria dei semiconduttori. Ne esistono due tipologie principali: orizzontale e verticale. Attualmente, l’industria dei circuiti integrati utilizza principalmente forni a tubi verticali. A seconda della pressione del processo e dell'applicazione, le attrezzature dei forni tubolari possono essere classificate in forni a pressione atmosferica e forni a bassa pressione. I forni a pressione atmosferica vengono utilizzati principalmente per il drogaggio a diffusione termica, l'ossidazione di film sottili e la ricottura ad alta temperatura, mentre i forni a bassa pressione sono progettati per la crescita di vari tipi di film sottili (come LPCVD e ALD). Le strutture delle varie apparecchiature dei forni tubolari sono simili e possono essere configurate in modo flessibile per eseguire funzioni di diffusione, ossidazione, ricottura, LPCVD e ALD secondo necessità. I tubi in SiC sinterizzato di elevata purezza, le vaschette per wafer in SiC e le pareti di rivestimento in SiC sono componenti essenziali all'interno della camera di reazione delle apparecchiature del forno tubolare. A seconda delle esigenze del cliente, un ulterioreRivestimento SiCLo strato può essere applicato sulla superficie della ceramica SiC sinterizzata per migliorare le prestazioni.

Nel campo della produzione di silicio granulare fotovoltaico, perché è cosìRivestimento SiCGiocare un ruolo chiave?

Il polisilicio, derivato dal silicio di grado metallurgico (o silicio industriale), è un materiale non metallico purificato attraverso una serie di reazioni fisiche e chimiche per ottenere un contenuto di silicio superiore al 99,9999% (6N). Nel campo fotovoltaico, il polisilicio viene trasformato in wafer, celle e moduli, che vengono infine utilizzati nei sistemi di generazione di energia fotovoltaica, rendendo il polisilicio un componente cruciale a monte della catena industriale fotovoltaica. Attualmente, esistono due percorsi tecnologici per la produzione del polisilicio: il processo Siemens modificato (che produce silicio bastoncino) e il processo a letto fluidizzato al silano (che produce silicio granulare). Nel processo Siemens modificato, il SiHCl3 ad elevata purezza viene ridotto mediante idrogeno ad elevata purezza su un nucleo di silicio ad elevata purezza a circa 1150°C, con conseguente deposizione di polisilicio sul nucleo di silicio. Il processo a letto fluidizzato del silano utilizza tipicamente SiH4 come gas di origine del silicio e H2 come gas di trasporto, con l'aggiunta di SiCl4 per decomporre termicamente SiH4 in un reattore a letto fluidizzato a 600-800°C per produrre polisilicio granulare. Il processo Siemens modificato rimane il percorso di produzione principale del polisilicio grazie alla sua tecnologia di produzione relativamente matura. Tuttavia, poiché aziende come GCL-Poly e Tianhong Reike continuano a far avanzare la tecnologia del silicio granulare, il processo a letto fluidizzato del silano potrebbe guadagnare quote di mercato grazie al suo costo inferiore e alla ridotta impronta di carbonio.

Il controllo della purezza del prodotto è stato storicamente un punto debole del processo a letto fluidizzato, motivo principale per cui non ha superato il processo Siemens nonostante i suoi significativi vantaggi in termini di costi. Il rivestimento funge da struttura principale e recipiente di reazione del processo a letto fluidizzato con silano, proteggendo il guscio metallico del reattore dall'erosione e dall'usura da parte di gas e materiali ad alta temperatura, isolando e mantenendo la temperatura del materiale. A causa delle dure condizioni di lavoro e del contatto diretto con il silicio granulare, il materiale di rivestimento deve presentare elevata purezza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione ed elevata resistenza. I materiali comuni includono la grafite con aRivestimento SiC. Tuttavia, nell'uso reale, si verificano fenomeni di distacco/crepe del rivestimento che portano a un contenuto eccessivo di carbonio nel silicio granulare, con conseguente breve durata dei rivestimenti in grafite e necessità di sostituzione regolare, classificandoli come materiali di consumo. Le sfide tecniche legate ai materiali di rivestimento del letto fluidizzato rivestiti in SiC e i loro costi elevati ostacolano l’adozione da parte del mercato del processo a letto fluidizzato con silano e devono essere affrontate per un’applicazione più ampia.

In quali applicazioni viene utilizzato il rivestimento in grafite pirolitica?

La grafite pirolitica è un nuovo materiale di carbonio, costituito da idrocarburi di elevata purezza depositati chimicamente in fase di vapore a pressioni del forno comprese tra 1800°C e 2000°C, che danno origine a carbonio pirolitico altamente cristallograficamente orientato. Presenta alta densità (2,20 g/cm³), elevata purezza e proprietà termiche, elettriche, magnetiche e meccaniche anisotrope. Può mantenere un vuoto di 10 mmHg anche a circa 1800°C, trovando un ampio potenziale di applicazione in campi come quello aerospaziale, dei semiconduttori, del fotovoltaico e degli strumenti analitici.

Nell'epitassia del LED rosso-giallo e in alcuni scenari speciali, il soffitto MOCVD non richiede la protezione del rivestimento SiC e utilizza invece una soluzione di rivestimento in grafite pirolitica.

I crogioli per l'alluminio per evaporazione con fascio di elettroni richiedono alta densità, resistenza alle alte temperature, buona resistenza agli shock termici, elevata conduttività termica, basso coefficiente di dilatazione termica e resistenza alla corrosione da parte di acidi, alcali, sali e reagenti organici. Poiché il rivestimento in grafite pirolitica condivide lo stesso materiale del crogiolo di grafite, può resistere efficacemente ai cicli di temperatura alta-bassa, prolungando la durata di servizio del crogiolo di grafite.**