Welche Anwendungen gibt es für SiC- und TaC-Beschichtungen im Halbleiterbereich?

Wie ist der Halbleitersektor im Großen und Ganzen definiert und was sind seine Hauptkomponenten?

Der Halbleitersektor bezieht sich im Allgemeinen auf die Nutzung der Eigenschaften von Halbleitermaterialien zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltkreisen (ICs), Halbleiterdisplays (LCD/OLED-Panels), Halbleiterbeleuchtung (LED) und Halbleiterenergieprodukten (Photovoltaik) durch verwandte Halbleiterfertigungsprozesse. Integrierte Schaltkreise machen bis zu 80 % dieses Sektors aus, daher bezieht sich die Halbleiterindustrie im engeren Sinne häufig speziell auf die IC-Industrie.

Im Wesentlichen geht es bei der Halbleiterfertigung darum, Schaltkreisstrukturen auf einem „Substrat“ zu erstellen und diesen Schaltkreis mit externen Stromversorgungs- und Steuerungssystemen zu verbinden, um verschiedene Funktionalitäten zu erreichen. Substrate, ein in der Branche verwendeter Begriff, können aus Halbleitermaterialien wie Si oder SiC oder Nicht-Halbleitermaterialien wie Saphir oder Glas bestehen. Mit Ausnahme der LED- und Panel-Industrie sind Siliziumwafer die am häufigsten verwendeten Substrate. Unter Epitaxie versteht man den Prozess des Züchtens eines neuen Dünnschichtmaterials auf dem Substrat, wobei gängige Materialien Si, SiC, GaN, GaAs usw. sind. Epitaxie bietet Geräteentwicklern erhebliche Flexibilität bei der Optimierung der Geräteleistung durch Steuerung von Faktoren wie der Dotierungsdicke, Konzentration und Profil der Epitaxieschicht, unabhängig vom Substrat. Diese Kontrolle wird durch Dotierung während des epitaktischen Wachstumsprozesses erreicht.

Was umfasst der Front-End-Prozess in der Halbleiterfertigung?

Der Front-End-Prozess ist der technisch komplexeste und kapitalintensivste Teil der Halbleiterfertigung. Er erfordert die mehrfache Wiederholung derselben Vorgänge und wird daher als „zyklischer Prozess“ bezeichnet. Dazu gehören vor allem Reinigung, Oxidation, Fotolithografie, Ätzen, Ionenimplantation, Diffusion, Glühen, Dünnschichtabscheidung und Polieren.

Wie schützen Beschichtungen Halbleiterfertigungsanlagen?

Halbleiterfertigungsanlagen werden in Umgebungen mit hohen Temperaturen und starker Korrosion betrieben und erfordern eine extrem hohe Sauberkeit. Daher ist der Schutz der internen Komponenten der Ausrüstung eine entscheidende Herausforderung. Die Beschichtungstechnologie veredelt und schützt die Grundmaterialien, indem sie eine dünne Deckschicht auf deren Oberfläche bildet. Durch diese Anpassung können die Grundmaterialien extremeren und komplexeren Produktionsumgebungen standhalten, wodurch ihre Hochtemperaturstabilität, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit verbessert und ihre Lebensdauer verlängert wird.

Warum istSiC-BeschichtungBedeutend im Bereich der Herstellung von Siliziumsubstraten?

In Siliziumkristall-Züchtungsöfen kann Hochtemperatur-Siliziumdampf von etwa 1500 °C Graphit- oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Materialkomponenten erheblich korrodieren. Auftragen einer hochreinenSiC-Beschichtungauf diesen Komponenten kann Siliziumdampf effektiv blockieren und die Lebensdauer der Komponenten verlängern.

Der Herstellungsprozess von Halbleiter-Siliziumwafern ist komplex und umfasst zahlreiche Schritte, wobei das Kristallwachstum, die Bildung von Siliziumwafern und das epitaktische Wachstum die Hauptschritte sind. Das Kristallwachstum ist der Kernprozess bei der Herstellung von Siliziumwafern. Während der Einkristallvorbereitungsphase werden entscheidende technische Parameter wie Waferdurchmesser, Kristallorientierung, Dotierungsleitfähigkeitstyp, Widerstandsbereich und -verteilung, Kohlenstoff- und Sauerstoffkonzentration sowie Gitterfehler bestimmt. Einkristallines Silizium wird typischerweise entweder mit der Czochralski-Methode (CZ) oder der Float-Zone-Methode (FZ) hergestellt. Die CZ-Methode wird am häufigsten verwendet und macht etwa 85 % der Silizium-Einkristalle aus. 12-Zoll-Siliziumwafer können nur mit der CZ-Methode hergestellt werden. Bei dieser Methode wird hochreines Polysiliziummaterial in einen Quarztiegel gegeben, unter dem Schutz eines hochreinen Inertgases geschmolzen und anschließend ein einkristalliner Siliziumkeim in die Schmelze eingebracht. Beim Herausziehen des Keims wächst der Kristall zu einem monokristallinen Siliziumstab heran.

Wie istTaC-BeschichtungWeiterentwicklung mit PVT-Methoden?

Die inhärenten Eigenschaften von SiC (Fehlen einer Si:C=1:1-Flüssigphase bei Atmosphärendruck) erschweren das Einkristallwachstum. Zu den gängigen Methoden gehören derzeit der physikalische Dampftransport (PVT), die chemische Hochtemperatur-Gasphasenabscheidung (HT-CVD) und die Flüssigphasenepitaxie (LPE). Unter diesen ist PVT aufgrund seiner geringeren Ausrüstungsanforderungen, des einfacheren Prozesses, der guten Steuerbarkeit und der etablierten industriellen Anwendungen am weitesten verbreitet.

Die PVT-Methode ermöglicht die Kontrolle axialer und radialer Temperaturfelder durch Anpassung der Wärmeisolationsbedingungen außerhalb des Graphittiegels. SiC-Pulver wird am heißeren Boden des Graphittiegels platziert, während der SiC-Keimkristall an der kühleren Oberseite befestigt wird. Der Abstand zwischen Pulver und Keim wird typischerweise auf mehrere zehn Millimeter eingestellt, um einen Kontakt zwischen dem wachsenden SiC-Kristall und dem Pulver zu vermeiden. Durch verschiedene Erhitzungsmethoden (Induktion oder Widerstandserwärmung) wird das SiC-Pulver auf 2200–2500 °C erhitzt, wodurch das ursprüngliche Pulver sublimiert und in gasförmige Komponenten wie Si, Si2C und SiC2 zerfällt. Diese Gase werden durch Konvektion zum Ende des Impfkristalls transportiert, wo SiC kristallisiert und so ein Einkristallwachstum erreicht wird. Die typische Wachstumsrate beträgt 0,2–0,4 mm/h, was 7–14 Tage erfordert, um einen 20–30 mm großen Kristallbarren zu züchten.

Das Vorhandensein von Kohlenstoffeinschlüssen in PVT-gewachsenen SiC-Kristallen ist eine erhebliche Fehlerquelle und trägt zur Bildung von Mikroröhren und polymorphen Defekten bei, die die Qualität von SiC-Kristallen verschlechtern und die Leistung von SiC-basierten Geräten einschränken. Im Allgemeinen sind die Graphitisierung von SiC-Pulver und eine kohlenstoffreiche Wachstumsfront anerkannte Quellen für Kohlenstoffeinschlüsse: 1) Während der Zersetzung von SiC-Pulver reichert sich Si-Dampf in der Gasphase an, während sich C in der festen Phase konzentriert, was zu einer starken Karbonisierung des Pulvers führt spät im Wachstum. Sobald die Kohlenstoffpartikel im Pulver die Schwerkraft überwinden und in den SiC-Barren diffundieren, bilden sich Kohlenstoffeinschlüsse. 2) Unter Si-reichen Bedingungen reagiert überschüssiger Si-Dampf mit der Graphittiegelwand und bildet eine dünne SiC-Schicht, die sich leicht in Kohlenstoffpartikel und Si-haltige Komponenten zersetzen kann.

Zwei Ansätze können diese Probleme lösen: 1) Kohlenstoffpartikel aus stark karbonisiertem SiC-Pulver spät im Wachstum filtern. 2) Verhindern Sie, dass Si-Dampf die Wand des Graphittiegels korrodiert. Viele Karbide wie TaC können stabil über 2000 °C arbeiten und widerstehen chemischer Korrosion durch Säuren, Laugen, NH3, H2 und Si-Dampf. Angesichts steigender Qualitätsanforderungen an SiC-Wafer wird die Anwendung von TaC-Beschichtungen in der SiC-Kristallwachstumstechnologie industriell erforscht. Studien zeigen, dass SiC-Kristalle, die unter Verwendung von TaC-beschichteten Graphitkomponenten in PVT-Wachstumsöfen hergestellt wurden, reiner sind, die Defektdichten deutlich reduzieren und die Kristallqualität erheblich verbessern.

a) PorösTaC oder TaC-beschichteter poröser Graphit: Filtert Kohlenstoffpartikel, verhindert die Diffusion in den Kristall und sorgt für einen gleichmäßigen Luftstrom.

B)TaC-beschichtetRinge: Isolieren Si-Dampf von der Wand des Graphittiegels und verhindern so eine Korrosion der Tiegelwand durch Si-Dampf.

C)TaC-beschichtetStrömungsführungen: Isolieren Sie Si-Dampf von der Wand des Graphittiegels und richten Sie gleichzeitig den Luftstrom auf den Impfkristall.

D)TaC-beschichtetImpfkristallhalter: Isolieren Sie Si-Dampf von der oberen Abdeckung des Tiegels, um Korrosion der oberen Abdeckung durch Si-Dampf zu verhindern.

Wie funktioniertCVD-SiC-BeschichtungVorteile bei der Herstellung von GaN-Substraten?

Derzeit beginnt die kommerzielle Produktion von GaN-Substraten mit der Erzeugung einer Pufferschicht (oder Maskenschicht) auf einem Saphirsubstrat. Mithilfe der Wasserstoffdampfphasenepitaxie (HVPE) wird dann schnell ein GaN-Film auf dieser Pufferschicht gezüchtet, gefolgt von der Trennung und dem Polieren, um ein freistehendes GaN-Substrat zu erhalten. Wie funktioniert HVPE in Quarzreaktoren mit atmosphärischem Druck angesichts seiner Anforderungen an chemische Reaktionen bei niedrigen und hohen Temperaturen?

In der Tieftemperaturzone (800–900 °C) reagiert gasförmiges HCl mit metallischem Ga zu gasförmigem GaCl.

In der Hochtemperaturzone (1000–1100 °C) reagiert gasförmiges GaCl mit gasförmigem NH3 und bildet einen GaN-Einkristallfilm.

Was sind die Strukturkomponenten von HVPE-Geräten und wie werden sie vor Korrosion geschützt? HVPE-Geräte können entweder horizontal oder vertikal sein und aus Komponenten wie dem Galliumschiffchen, dem Ofenkörper, dem Reaktor, dem Gaskonfigurationssystem und dem Abgassystem bestehen. Graphitschalen und -stäbe, die mit NH3 in Kontakt kommen, sind korrosionsanfällig und können mit einem geschützt werdenSiC-Beschichtungum Schäden vorzubeugen.

Welche Bedeutung hat die CVD-Technologie gegenüber der GaN-Epitaxie-Herstellung?

Warum ist es im Bereich der Halbleiterbauelemente notwendig, Epitaxieschichten auf bestimmten Wafersubstraten aufzubauen? Ein typisches Beispiel sind blaugrüne LEDs, die epitaktische GaN-Schichten auf Saphirsubstraten erfordern. MOCVD-Geräte sind im GaN-Epitaxie-Produktionsprozess von entscheidender Bedeutung. Die führenden Anbieter sind AMEC, Aixtron und Veeco in China.

Warum können Substrate bei der epitaktischen Abscheidung in MOCVD-Anlagen nicht direkt auf Metall oder einfachen Untergründen platziert werden? Faktoren wie die Richtung des Gasflusses (horizontal, vertikal), Temperatur, Druck, Substratfixierung und Kontamination durch Schmutz müssen berücksichtigt werden. Daher wird ein Suszeptor mit Taschen verwendet, um die Substrate zu halten, und die epitaktische Abscheidung erfolgt mithilfe der CVD-Technologie auf den in diesen Taschen platzierten Substraten. DerDer Suszeptor ist eine Graphitbasis mit einer SiC-Beschichtung.

Was ist die chemische Kernreaktion bei der GaN-Epitaxie und warum ist die Qualität der SiC-Beschichtung entscheidend? Die Kernreaktion besteht aus NH3 + TMGa → GaN + Nebenprodukten (bei etwa 1050–1100 °C). Allerdings zersetzt sich NH3 bei hohen Temperaturen thermisch und setzt dabei atomaren Wasserstoff frei, der stark mit dem Kohlenstoff im Graphit reagiert. Da NH3/H2 bei 1100 °C nicht mit SiC reagiert, sind die vollständige Einkapselung durch und die Qualität der SiC-Beschichtung für den Prozess entscheidend.

Wie werden im Bereich der SiC-Epitaxie-Herstellung Beschichtungen in gängigen Reaktionskammertypen aufgebracht?

SiC ist ein typisches polytypisches Material mit über 200 verschiedenen Kristallstrukturen, von denen 3C-SiC, 4H-SiC und 6H-SiC am häufigsten vorkommen. 4H-SiC ist die Kristallstruktur, die überwiegend in gängigen Geräten verwendet wird. Ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Kristallstruktur ist die Reaktionstemperatur. Temperaturen unter einem bestimmten Schwellenwert neigen dazu, andere Kristallformen zu erzeugen. Die optimale Reaktionstemperatur liegt zwischen 1550 und 1650 °C; Temperaturen unter 1550 °C führen eher zu 3C-SiC und anderen Strukturen. 3C-SiC wird jedoch häufig verwendetSiC-Beschichtungen, und eine Reaktionstemperatur von etwa 1600 °C liegt nahe an der Grenze von 3C-SiC. Obwohl die derzeitige Anwendung von TaC-Beschichtungen aus Kostengründen begrenzt ist, ist auf lange SichtTaC-BeschichtungenEs wird erwartet, dass SiC-Beschichtungen in SiC-Epitaxieanlagen schrittweise ersetzt werden.

Derzeit gibt es drei Haupttypen von CVD-Systemen für die SiC-Epitaxie: planetarische Heißwandsysteme, horizontale Heißwandsysteme und vertikale Heißwandsysteme. Das Planeten-Heißwand-CVD-System zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, mehrere Wafer in einer einzigen Charge wachsen zu lassen, was zu einer hohen Produktionseffizienz führt. Bei dem horizontalen Heißwand-CVD-System handelt es sich typischerweise um ein großformatiges Einzelwafer-Wachstumssystem, das durch Gas-Float-Rotation angetrieben wird und hervorragende Intra-Wafer-Spezifikationen ermöglicht. Das vertikale Heißwand-CVD-System verfügt hauptsächlich über eine Hochgeschwindigkeitsrotation, die durch eine externe mechanische Basis unterstützt wird. Es reduziert effektiv die Dicke der Grenzschicht, indem es einen niedrigeren Druck in der Reaktionskammer aufrechterhält und so die epitaktische Wachstumsrate erhöht. Darüber hinaus fehlt dem Kammerdesign eine obere Wand, die zur Ablagerung von SiC-Partikeln führen könnte, was das Risiko des Partikelabfalls minimiert und einen inhärenten Vorteil bei der Fehlerkontrolle bietet.

Welche Anwendungen gibt es für die Hochtemperatur-Wärmeverarbeitung?CVD-SiCin der Rohrofenausrüstung?

Rohrofenausrüstung wird in der Halbleiterindustrie häufig in Prozessen wie Oxidation, Diffusion, Dünnschichtwachstum, Glühen und Legieren eingesetzt. Es gibt zwei Haupttypen: horizontal und vertikal. Derzeit werden in der IC-Industrie hauptsächlich vertikale Rohröfen eingesetzt. Je nach Prozessdruck und Anwendung können Rohrofenanlagen in Atmosphärendrucköfen und Niederdrucköfen eingeteilt werden. Atmosphärendrucköfen werden hauptsächlich zum thermischen Diffusionsdotieren, zur Dünnschichtoxidation und zum Hochtemperaturglühen verwendet, während Niederdrucköfen für das Wachstum verschiedener Arten von Dünnschichten (wie LPCVD und ALD) ausgelegt sind. Die Strukturen verschiedener Rohrofenanlagen sind ähnlich und sie können flexibel konfiguriert werden, um je nach Bedarf Diffusions-, Oxidations-, Glüh-, LPCVD- und ALD-Funktionen auszuführen. Hochreine gesinterte SiC-Röhren, SiC-Wafer-Schiffchen und SiC-Auskleidungswände sind wesentliche Komponenten innerhalb der Reaktionskammer von Röhrenofenanlagen. Je nach Kundenwunsch ein zusätzlicherSiC-BeschichtungZur Verbesserung der Leistung kann eine Schicht auf die Oberfläche gesinterter SiC-Keramik aufgetragen werden.

Warum ist das im Bereich der Photovoltaik-Siliziumgranulatherstellung so?SiC-BeschichtungEine Schlüsselrolle spielen?

Polysilizium, das aus metallurgischem Silizium (oder Industriesilizium) gewonnen wird, ist ein nichtmetallisches Material, das durch eine Reihe physikalischer und chemischer Reaktionen gereinigt wird, um einen Siliziumgehalt von über 99,9999 % (6N) zu erreichen. Im Photovoltaikbereich wird Polysilizium zu Wafern, Zellen und Modulen verarbeitet, die letztendlich in Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen verwendet werden, was Polysilizium zu einem entscheidenden vorgelagerten Bestandteil der Photovoltaik-Industriekette macht. Derzeit gibt es zwei technologische Wege zur Herstellung von Polysilizium: das modifizierte Siemens-Verfahren (ergibt stabförmiges Silizium) und das Silan-Wirbelschichtverfahren (ergibt körniges Silizium). Im modifizierten Siemens-Verfahren wird hochreines SiHCl3 durch hochreinen Wasserstoff auf einem hochreinen Siliziumkern bei etwa 1150 °C reduziert, was zu einer Polysiliziumabscheidung auf dem Siliziumkern führt. Beim Silan-Wirbelschichtverfahren werden typischerweise SiH4 als Silizium-Quellgas und H2 als Trägergas verwendet, wobei SiCl4 hinzugefügt wird, um SiH4 in einem Wirbelschichtreaktor bei 600–800 °C thermisch zu zersetzen und granuliertes Polysilizium herzustellen. Das modifizierte Siemens-Verfahren bleibt aufgrund seiner relativ ausgereiften Produktionstechnologie die gängige Produktionsmethode für Polysilicium. Da jedoch Unternehmen wie GCL-Poly und Tianhong Reike die Technologie für granuliertes Silizium weiter vorantreiben, könnte das Silan-Wirbelschichtverfahren aufgrund seiner geringeren Kosten und seines geringeren CO2-Fußabdrucks Marktanteile gewinnen.

Die Kontrolle der Produktreinheit war in der Vergangenheit ein Schwachpunkt des Wirbelschichtverfahrens, was einer der Hauptgründe dafür ist, dass es trotz seiner erheblichen Kostenvorteile das Siemens-Verfahren nicht überholt hat. Die Auskleidung dient als Hauptstruktur und Reaktionsbehälter des Silan-Wirbelschichtverfahrens und schützt die Metallhülle des Reaktors vor Erosion und Verschleiß durch Gase und Materialien mit hoher Temperatur, während sie gleichzeitig isoliert und die Temperatur des Materials aufrechterhält. Aufgrund der rauen Arbeitsbedingungen und des direkten Kontakts mit körnigem Silizium muss das Auskleidungsmaterial eine hohe Reinheit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit aufweisen. Zu den gängigen Materialien gehört Graphit mit u. aSiC-Beschichtung. Bei der tatsächlichen Verwendung kommt es jedoch vor, dass sich die Beschichtung ablöst/rissig wird, was zu einem übermäßigen Kohlenstoffgehalt im körnigen Silizium führt, was zu einer kurzen Lebensdauer der Graphitauskleidungen und der Notwendigkeit eines regelmäßigen Austauschs führt, weshalb sie als Verbrauchsmaterialien eingestuft werden. Die technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit SiC-beschichteten Wirbelschicht-Auskleidungsmaterialien und ihre hohen Kosten behindern die Markteinführung des Silan-Wirbelschichtverfahrens und müssen für eine breitere Anwendung angegangen werden.

In welchen Anwendungen wird pyrolytische Graphitbeschichtung eingesetzt?

Pyrolytischer Graphit ist ein neuartiges Kohlenstoffmaterial, das aus hochreinen Kohlenwasserstoffen besteht, die bei Ofendrücken zwischen 1800 °C und 2000 °C chemisch aufgedampft werden, was zu pyrolytischem Kohlenstoff mit hoher kristallographischer Ausrichtung führt. Es zeichnet sich durch eine hohe Dichte (2,20 g/cm³), hohe Reinheit und anisotrope thermische, elektrische, magnetische und mechanische Eigenschaften aus. Es kann ein Vakuum von 10 mmHg selbst bei etwa 1800 °C aufrechterhalten und findet breites Anwendungspotenzial in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Halbleiter, Photovoltaik und Analyseinstrumenten.

Bei der Rot-Gelb-LED-Epitaxie und bestimmten Sonderszenarien benötigt die MOCVD-Decke keinen SiC-Beschichtungsschutz und verwendet stattdessen eine pyrolytische Graphitbeschichtungslösung.

Tiegel für die Elektronenstrahlverdampfung von Aluminium erfordern eine hohe Dichte, Hochtemperaturbeständigkeit, gute Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Beständigkeit gegen Korrosion durch Säuren, Laugen, Salze und organische Reagenzien. Da die pyrolytische Graphitbeschichtung aus dem gleichen Material wie der Graphittiegel besteht, kann sie Zyklen bei hohen und niedrigen Temperaturen effektiv standhalten und so die Lebensdauer des Graphittiegels verlängern.**