Quelles sont les applications des revêtements SiC et TaC dans le domaine des semi-conducteurs ?

Comment le secteur des semi-conducteurs est-il défini au sens large et quelles sont ses principales composantes ?

Le secteur des semi-conducteurs fait généralement référence à l'utilisation des propriétés des matériaux semi-conducteurs pour produire des circuits intégrés (CI) à semi-conducteurs, des écrans à semi-conducteurs (panneaux LCD/OLED), des éclairages à semi-conducteurs (LED) et des produits énergétiques semi-conducteurs (photovoltaïques) via des processus de fabrication de semi-conducteurs associés. Les circuits intégrés représentent jusqu'à 80 % de ce secteur. Ainsi, au sens strict, l'industrie des semi-conducteurs fait souvent référence spécifiquement à l'industrie des circuits intégrés.

Essentiellement, la fabrication de semi-conducteurs implique la création de structures de circuits sur un « substrat » et la connexion de ce circuit à des systèmes d’alimentation et de contrôle externes pour réaliser diverses fonctionnalités. Les substrats, terme utilisé dans l'industrie, peuvent être constitués de matériaux semi-conducteurs comme le Si ou le SiC, ou de matériaux non semi-conducteurs comme le saphir ou le verre. À l'exception des industries des LED et des panneaux, les plaquettes de silicium sont les substrats les plus couramment utilisés. L'épitaxie fait référence au processus de croissance d'un nouveau matériau en couche mince sur le substrat, les matériaux courants étant Si, SiC, GaN, GaAs, etc. L'épitaxie offre aux concepteurs de dispositifs une flexibilité significative pour optimiser les performances des dispositifs en contrôlant des facteurs tels que l'épaisseur du dopage, concentration, et profil de la couche épitaxiale, indépendants du substrat. Ce contrôle est obtenu grâce au dopage lors du processus de croissance épitaxiale.

Qu’est-ce qui comprend le processus frontal dans la fabrication de semi-conducteurs ?

Le processus initial est la partie la plus techniquement complexe et la plus coûteuse de la fabrication de semi-conducteurs, nécessitant la répétition des mêmes procédures plusieurs fois, c'est pourquoi on l'appelle un « processus cyclique ». Cela comprend principalement le nettoyage, l’oxydation, la photolithographie, la gravure, l’implantation ionique, la diffusion, le recuit, le dépôt de couches minces et le polissage.

Comment les revêtements protègent-ils les équipements de fabrication de semi-conducteurs ?

Les équipements de fabrication de semi-conducteurs fonctionnent dans des environnements à haute température et hautement corrosifs et exigent une propreté extrêmement élevée. Ainsi, protéger les composants internes des équipements constitue un enjeu crucial. La technologie de revêtement améliore et protège les matériaux de base en formant une fine couche de revêtement sur leurs surfaces. Cette adaptation permet aux matériaux de base de résister à des environnements de production plus extrêmes et complexes, améliorant ainsi leur stabilité à haute température, leur résistance à la corrosion, leur résistance à l'oxydation et prolongeant leur durée de vie.

PourquoiRevêtement SiCImportant dans le domaine de la fabrication de substrats de silicium ?

Dans les fours de croissance de cristaux de silicium, la vapeur de silicium à haute température, autour de 1 500 °C, peut corroder considérablement les composants en graphite ou en carbone-carbone. Application d'un produit de haute puretéRevêtement SiCsur ces composants peut bloquer efficacement la vapeur de silicium et prolonger la durée de vie des composants.

Le processus de production de plaquettes de silicium semi-conductrices est complexe et implique de nombreuses étapes, la croissance cristalline, la formation de plaquettes de silicium et la croissance épitaxiale étant les principales étapes. La croissance cristalline est le processus central de la production de plaquettes de silicium. Au cours de la phase de préparation du monocristal, des paramètres techniques cruciaux tels que le diamètre de la tranche, l'orientation des cristaux, le type de conductivité du dopage, la plage et la distribution de la résistivité, la concentration en carbone et en oxygène et les défauts du réseau sont déterminés. Le silicium monocristallin est généralement préparé en utilisant soit la méthode Czochralski (CZ), soit la méthode Float Zone (FZ). La méthode CZ est la plus couramment utilisée, représentant environ 85 % des monocristaux de silicium. Les plaquettes de silicium de 12 pouces ne peuvent être produites qu'en utilisant la méthode CZ. Cette méthode consiste à placer un matériau en polysilicium de haute pureté dans un creuset en quartz, à le faire fondre sous la protection d'un gaz inerte de haute pureté, puis à insérer un germe de silicium monocristallin dans la masse fondue. Au fur et à mesure que la graine est arrachée, le cristal se transforme en une tige de silicium monocristallin.

Comment estRevêtement TaCÉvoluer avec les méthodes PVT ?

Les caractéristiques inhérentes du SiC (absence de phase liquide Si:C=1:1 à pression atmosphérique) rendent la croissance des monocristaux difficile. Actuellement, les méthodes courantes incluent le transport physique de vapeur (PVT), le dépôt chimique en phase vapeur à haute température (HT-CVD) et l'épitaxie en phase liquide (LPE). Parmi ceux-ci, le PVT est le plus largement adopté en raison de ses exigences d'équipement moindres, de son processus plus simple, de sa forte contrôlabilité et de ses applications industrielles établies.

La méthode PVT permet de contrôler les champs de température axiaux et radiaux en ajustant les conditions d'isolation thermique à l'extérieur du creuset en graphite. La poudre de SiC est placée au fond le plus chaud du creuset en graphite, tandis que le cristal germe de SiC est fixé au sommet le plus froid. La distance entre la poudre et le germe est généralement contrôlée à plusieurs dizaines de millimètres pour éviter tout contact entre le cristal de SiC en croissance et la poudre. En utilisant différentes méthodes de chauffage (chauffage par induction ou par résistance), la poudre de SiC est chauffée à 2 200-2 500 °C, provoquant la sublimation et la décomposition de la poudre d'origine en composants gazeux tels que Si, Si2C et SiC2. Ces gaz sont transportés par convection vers l’extrémité du germe cristallin, où le SiC cristallise, permettant ainsi une croissance monocristalline. Le taux de croissance typique est de 0,2 à 0,4 mm/h, ce qui nécessite 7 à 14 jours pour faire pousser un lingot de cristal de 20 à 30 mm.

La présence d'inclusions de carbone dans les cristaux de SiC cultivés en PVT est une source importante de défauts, contribuant aux microtubes et aux défauts polymorphes, qui dégradent la qualité des cristaux de SiC et limitent les performances des dispositifs à base de SiC. Généralement, la graphitisation de la poudre de SiC et un front de croissance riche en carbone sont des sources reconnues d'inclusions de carbone : 1) Lors de la décomposition de la poudre de SiC, la vapeur de Si s'accumule dans la phase gazeuse tandis que le C se concentre dans la phase solide, conduisant à une carbonisation sévère de la poudre. en retard de croissance. Une fois que les particules de carbone présentes dans la poudre surmontent la gravité et se diffusent dans le lingot de SiC, des inclusions de carbone se forment. 2) Dans des conditions riches en Si, l'excès de vapeur de Si réagit avec la paroi du creuset en graphite, formant une fine couche de SiC qui peut facilement se décomposer en particules de carbone et en composants contenant du Si.

Deux approches peuvent résoudre ces problèmes : 1) Filtrer les particules de carbone de la poudre de SiC fortement carbonisée en fin de croissance. 2) Empêcher la vapeur de Si de corroder la paroi du creuset en graphite. De nombreux carbures, tels que le TaC, peuvent fonctionner de manière stable au-dessus de 2 000 °C et résister à la corrosion chimique par les acides, les alcalis, le NH3, le H2 et les vapeurs de Si. Avec les exigences de qualité croissantes pour les tranches de SiC, l'application des revêtements TaC dans la technologie de croissance cristalline du SiC est explorée au niveau industriel. Des études montrent que les cristaux de SiC préparés à l'aide de composants en graphite recouverts de TaC dans des fours de croissance PVT sont plus purs, avec des densités de défauts considérablement réduites, améliorant considérablement la qualité des cristaux.

a) PoreuxTaC ou graphite poreux recouvert de TaC: Filtre les particules de carbone, empêche la diffusion dans le cristal et assure un flux d'air uniforme.

b)Revêtement TaCanneaux : Isolez la vapeur de Si de la paroi du creuset en graphite, empêchant ainsi la corrosion de la paroi du creuset par la vapeur de Si.

c)Revêtement TaCguides d'écoulement : isolez la vapeur de Si de la paroi du creuset en graphite tout en dirigeant le flux d'air vers le cristal germe.

d)Revêtement TaCsupports de germes de cristal : Isolez la vapeur de Si du couvercle supérieur du creuset pour éviter la corrosion du couvercle supérieur par la vapeur de Si.

CommentRevêtement CVD SiCBénéfice de la fabrication de substrats GaN ?

Actuellement, la production commerciale de substrats GaN commence par la création d'une couche tampon (ou couche de masque) sur un substrat en saphir. L'épitaxie en phase vapeur d'hydrogène (HVPE) est ensuite utilisée pour faire croître rapidement un film de GaN sur cette couche tampon, suivie d'une séparation et d'un polissage pour obtenir un substrat de GaN autonome. Comment le HVPE fonctionne-t-il dans les réacteurs à quartz à pression atmosphérique, compte tenu de ses exigences en matière de réactions chimiques à basse et à haute température ?

Dans la zone à basse température (800-900°C), le HCl gazeux réagit avec le Ga métallique pour produire du GaCl gazeux.

Dans la zone à haute température (1 000-1 100 °C), le GaCl gazeux réagit avec le NH3 gazeux pour former un film monocristallin de GaN.

Quels sont les composants structurels des équipements HVPE et comment sont-ils protégés contre la corrosion ? L'équipement HVPE peut être horizontal ou vertical et composé de composants tels que le bateau au gallium, le corps du four, le réacteur, le système de configuration des gaz et le système d'échappement. Les plateaux et tiges de graphite, qui entrent en contact avec le NH3, sont sensibles à la corrosion et peuvent être protégés par unRevêtement SiCpour éviter les dommages.

Quelle est l’importance de la technologie CVD par rapport à la fabrication par épitaxie GaN ?

Dans le domaine des dispositifs semi-conducteurs, pourquoi est-il nécessaire de construire des couches épitaxiales sur certains substrats de plaquettes ? Un exemple typique inclut les LED bleu-vert, qui nécessitent des couches épitaxiales de GaN sur des substrats en saphir. L'équipement MOCVD est essentiel dans le processus de production d'épitaxie GaN, les principaux fournisseurs étant AMEC, Aixtron et Veeco en Chine.

Pourquoi les substrats ne peuvent-ils pas être posés directement sur des supports métalliques ou simples lors du dépôt épitaxial dans les systèmes MOCVD ? Des facteurs tels que la direction du flux de gaz (horizontal, vertical), la température, la pression, la fixation du substrat et la contamination par les débris doivent être pris en compte. Ainsi, un suscepteur comportant des poches est utilisé pour maintenir les substrats, et un dépôt épitaxial est réalisé grâce à la technologie CVD sur les substrats placés dans ces poches. Lele suscepteur est une base de graphite avec un revêtement SiC.

Quelle est la réaction chimique principale de l’épitaxie GaN et pourquoi la qualité du revêtement SiC est-elle cruciale ? La réaction principale est NH3 + TMGa → GaN + sous-produits (à environ 1 050-1 100 °C). Cependant, le NH3 se décompose thermiquement à haute température, libérant de l'hydrogène atomique, qui réagit fortement avec le carbone du graphite. Étant donné que le NH3/H2 ne réagit pas avec le SiC à 1 100 °C, l’encapsulation complète et la qualité du revêtement SiC sont essentielles au processus.

Dans le domaine de la fabrication par épitaxie SiC, comment les revêtements sont-ils appliqués dans les types courants de chambres de réaction ?

Le SiC est un matériau polytypique typique avec plus de 200 structures cristallines différentes, parmi lesquelles le 3C-SiC, le 4H-SiC et le 6H-SiC sont les plus courants. Le 4H-SiC est la structure cristalline principalement utilisée dans les appareils grand public. Un facteur important influençant la structure cristalline est la température de réaction. Les températures inférieures à un seuil spécifique ont tendance à produire d’autres formes cristallines. La température de réaction optimale se situe entre 1 550 et 1 650°C ; les températures inférieures à 1 550 °C sont plus susceptibles de produire du 3C-SiC et d’autres structures. Cependant, le 3C-SiC est couramment utilisé dansRevêtements SiC, et une température de réaction d'environ 1 600 °C est proche de la limite du 3C-SiC. Bien que l'application actuelle des revêtements TaC soit limitée par des problèmes de coûts, à long terme,Revêtements TaCdevraient progressivement remplacer les revêtements SiC dans les équipements épitaxiaux SiC.

Actuellement, il existe trois principaux types de systèmes CVD pour l’épitaxie SiC : à paroi chaude planétaire, à paroi chaude horizontale et à paroi chaude verticale. Le système CVD planétaire à parois chaudes se caractérise par sa capacité à faire croître plusieurs tranches en un seul lot, ce qui se traduit par une efficacité de production élevée. Le système CVD horizontal à paroi chaude implique généralement un système de croissance de grande taille sur une seule plaquette entraîné par la rotation d'un flotteur à gaz, ce qui facilite d'excellentes spécifications intra-plaquette. Le système CVD vertical à parois chaudes se caractérise principalement par une rotation à grande vitesse assistée par une base mécanique externe. Il réduit efficacement l'épaisseur de la couche limite en maintenant une pression plus faible dans la chambre de réaction, améliorant ainsi le taux de croissance épitaxiale. De plus, la conception de sa chambre ne comporte pas de paroi supérieure susceptible de conduire au dépôt de particules de SiC, ce qui minimise le risque de chute des particules et offre un avantage inhérent en matière de contrôle des défauts.

Pour le traitement thermique à haute température, quelles sont les applications deCVD SiCdans l'équipement de four tubulaire ?

L'équipement de four tubulaire est largement utilisé dans des processus tels que l'oxydation, la diffusion, la croissance de couches minces, le recuit et l'alliage dans l'industrie des semi-conducteurs. Il en existe deux types principaux : horizontal et vertical. Actuellement, l’industrie des circuits intégrés utilise principalement des fours tubulaires verticaux. En fonction de la pression du procédé et de l'application, les équipements de fours tubulaires peuvent être classés en fours à pression atmosphérique et en fours à basse pression. Les fours à pression atmosphérique sont principalement utilisés pour le dopage par diffusion thermique, l'oxydation de couches minces et le recuit à haute température, tandis que les fours à basse pression sont conçus pour la croissance de divers types de films minces (tels que LPCVD et ALD). Les structures des divers équipements de fours tubulaires sont similaires et peuvent être configurées de manière flexible pour exécuter les fonctions de diffusion, d'oxydation, de recuit, de LPCVD et d'ALD selon les besoins. Les tubes SiC frittés de haute pureté, les nacelles de plaquettes SiC et les parois de revêtement SiC sont des composants essentiels à l'intérieur de la chambre de réaction de l'équipement du four tubulaire. En fonction des besoins du client, un supplémentRevêtement SiCLa couche peut être appliquée à la surface des céramiques SiC frittées pour améliorer les performances.

Dans le domaine de la fabrication de silicium granulaire photovoltaïque, pourquoiRevêtement SiCJouer un rôle central ?

Le polysilicium, dérivé du silicium de qualité métallurgique (ou silicium industriel), est un matériau non métallique purifié par une série de réactions physiques et chimiques pour atteindre une teneur en silicium supérieure à 99,9999 % (6N). Dans le domaine photovoltaïque, le polysilicium est transformé en tranches, cellules et modules, qui sont finalement utilisés dans les systèmes de production d'énergie photovoltaïque, faisant du polysilicium un élément crucial en amont de la chaîne industrielle photovoltaïque. Actuellement, il existe deux voies technologiques pour la production de polysilicium : le procédé Siemens modifié (produisant du silicium en forme de tige) et le procédé à lit fluidisé au silane (produisant du silicium granulaire). Dans le procédé Siemens modifié, le SiHCl3 de haute pureté est réduit par de l'hydrogène de haute pureté sur un noyau de silicium de haute pureté à environ 1 150 °C, ce qui entraîne un dépôt de polysilicium sur le noyau de silicium. Le procédé à lit fluidisé au silane utilise généralement SiH4 comme gaz source de silicium et H2 comme gaz porteur, avec l'ajout de SiCl4 pour décomposer thermiquement SiH4 dans un réacteur à lit fluidisé à 600-800°C pour produire du polysilicium granulaire. Le procédé Siemens modifié reste la principale voie de production de polysilicium en raison de sa technologie de production relativement mature. Cependant, à mesure que des entreprises comme GCL-Poly et Tianhong Reike continuent de faire progresser la technologie du silicium granulaire, le procédé à lit fluidisé au silane pourrait gagner des parts de marché en raison de son coût inférieur et de son empreinte carbone réduite.

Le contrôle de la pureté des produits a toujours été un point faible du procédé à lit fluidisé, ce qui explique principalement pourquoi il n'a pas surpassé le procédé Siemens malgré ses avantages significatifs en termes de coûts. Le revêtement sert de structure principale et de cuve de réaction du procédé à lit fluidisé au silane, protégeant la coque métallique du réacteur de l'érosion et de l'usure causée par les gaz et les matériaux à haute température tout en isolant et en maintenant la température du matériau. En raison des conditions de travail difficiles et du contact direct avec le silicium granulaire, le matériau de revêtement doit présenter une pureté élevée, une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion et une résistance élevée. Les matériaux courants incluent le graphite avec unRevêtement SiC. Cependant, en utilisation réelle, il existe des cas de pelage/fissuration du revêtement qui entraînent une teneur excessive en carbone dans le silicium granulaire, ce qui entraîne une courte durée de vie des revêtements en graphite et la nécessité de les remplacer régulièrement, les classant comme consommables. Les défis techniques liés aux matériaux de revêtement de lit fluidisé revêtus de SiC et leurs coûts élevés entravent l'adoption par le marché du procédé à lit fluidisé au silane et doivent être résolus pour une application plus large.

Dans quelles applications le revêtement de graphite pyrolytique est-il utilisé ?

Le graphite pyrolytique est un nouveau matériau carboné, constitué d'hydrocarbures de haute pureté déposés chimiquement en phase vapeur à des pressions de four comprises entre 1 800 °C et 2 000 °C, ce qui donne un carbone pyrolytique hautement cristallographiquement orienté. Il présente une densité élevée (2,20 g/cm³), une grande pureté et des propriétés thermiques, électriques, magnétiques et mécaniques anisotropes. Il peut maintenir un vide de 10 mmHg même à environ 1 800 °C, trouvant ainsi un large potentiel d'application dans des domaines tels que l'aérospatiale, les semi-conducteurs, le photovoltaïque et les instruments d'analyse.

En épitaxie LED rouge-jaune et dans certains scénarios particuliers, le plafond MOCVD ne nécessite pas de protection par revêtement SiC et utilise à la place une solution de revêtement en graphite pyrolytique.

Les creusets pour l'aluminium par évaporation par faisceau d'électrons nécessitent une densité élevée, une résistance aux températures élevées, une bonne résistance aux chocs thermiques, une conductivité thermique élevée, un faible coefficient de dilatation thermique et une résistance à la corrosion par les acides, les alcalis, les sels et les réactifs organiques. Étant donné que le revêtement en graphite pyrolytique partage le même matériau que le creuset en graphite, il peut résister efficacement aux cycles de températures élevées et basses, prolongeant ainsi la durée de vie du creuset en graphite.**