SiC成長用コア材料:炭化タンタルコーティング

炭化ケイ素単結晶の作製にはPVT（Physical Vapor Transport）法が一般的に用いられており、原料を高温域に置き、種結晶を比較的低温域に置く原理となっています。原料は高温で分解し、液相を経ずに直接ガス状物質を生成します。これらのガス状物質は、軸方向の温度勾配によって種結晶に輸送され、そこで核生成と成長が起こり、結果として炭化ケイ素単結晶が結晶化します。現在、Cree、II-VI、SiCrystal、Dow などの外国企業と、Tianyue Advanced、Tianke Heida、Century Jingxin などの国内企業がこの方法を使用しています。

炭化ケイ素には200以上の結晶型があり、目的の単結晶型（主に4H結晶型）を生成するには精密な制御が必要です。 Tianyue AdvancedのIPO開示によると、2018年から2021年上半期までの結晶ロッドの歩留まりは41%、38.57%、50.73%、49.90%で、基板の歩留まりは72.61%、75.15%、70.44%、75.47%でした。現在、全体の歩留まりはわずか 37.7% です。主流の PVT 法を例に挙げると、歩留まりが低いのは主に、SiC 基板の準備における次のような困難が原因です。

難しい温度場制御: SiC 結晶ロッドは 2500°C で製造する必要がありますが、シリコン結晶は 1500°C しか必要としないため、特別な単結晶炉が必要です。製造中の正確な温度制御には大きな課題が伴います。

生産速度が遅い: 従来のシリコン材料は 1 時間あたり 300 ミリメートルの速度で成長しますが、炭化ケイ素単結晶は 1 時間あたり 400 マイクロメートルでしか成長できず、ほぼ 800 倍遅いです。

高品質パラメータの要件、ブラックボックス歩留まり率のリアルタイム制御の難しさ: SiC ウェーハの中核となるパラメータには、マイクロチューブ密度、転位密度、抵抗率、曲率、表面粗さなどが含まれます。結晶成長中、シリコンの精密な制御は、不適格な結晶をもたらす多結晶汚染を避けるには、対炭素比、成長温度勾配、結晶成長速度、気流圧力などが不可欠です。黒鉛るつぼのブラックボックス内での結晶成長をリアルタイムで観察することは不可能であり、正確な熱場制御、材料のマッチング、経験の蓄積が必要です。

結晶径拡大の難しさ：気相輸送法によるSiC結晶成長の拡大技術は大きな課題であり、結晶サイズが大きくなるにつれて成長難易度は幾何級数的に増加します。

一般に低い歩留まり率: 低い歩留まり率は 2 つのリンクで構成されます。(1) クリスタル ロッドの歩留まり率 = 半導体グレードのクリスタル ロッドの出力 / (半導体グレードのクリスタル ロッドの出力 + 非半導体グレードのクリスタル ロッドの出力) × 100%。 (2) 基板歩留まり = 認定基板生産量 / (認定基板生産量 + 非認定基板生産量) × 100%。

高品質、高歩留まりの炭化ケイ素基板を準備するには、正確な温度制御のために優れた熱場材料が不可欠です。現在の熱場るつぼキットは主に高純度グラファイト構造部品で構成されており、加熱、炭素粉末とシリコン粉末の溶融、絶縁に使用されます。黒鉛材料は、比強度や比弾性率、熱衝撃や腐食に対する優れた耐性などを備えていますが、高温酸素環境下では酸化しやすい、アンモニアや傷に対する耐性が劣るなどの欠点があり、ますます厳しくなる要求に応えることができません。炭化ケイ素単結晶成長およびエピタキシャルウェーハ製造におけるグラファイト材料の要件。したがって、次のような高温コーティング炭化タンタル人気を集めています。

1. の特徴炭化タンタルコーティング 

炭化タンタル（TaC）セラミックは、融点が3880℃と高く、硬度が高く（モース硬度9～10）、熱伝導率が高く（22W・m-1・K－1）、曲げ強度が高い（340～400MPa）。 ）、熱膨張係数が低い（6.6×10−6K−1）。優れた熱的および化学的安定性と傑出した物理的特性を示し、グラファイトとの良好な化学的および機械的適合性を備えています。C/Cコンポジット材料したがって、TaC コーティングは、航空宇宙の熱保護、単結晶成長、エネルギーエレクトロニクス、医療機器、その他の分野で広く使用されています。

グラファイト上にTaCコーティング裸のグラファイトよりも優れた耐化学腐食性を持っています。SiC コーティングされたグラファイト多くの金属元素と反応せず、2600℃までの高温でも安定して使用できます。これは、第 3 世代の半導体単結晶成長およびウェーハのエッチングに最適なコーティングと考えられており、プロセスにおける温度と不純物の制御が大幅に改善され、高品質の炭化ケイ素ウェーハおよび関連製品の生産につながります。エピタキシャルウェーハ。特にGaNやGaNのMOCVD成長装置に適しています。AlN単結晶PVT 装置による SiC 単結晶の成長により、結晶品質が大幅に向上します。

2. の利点炭化タンタルコーティング 

デバイスの使用炭化タンタル (TaC) コーティング結晶エッジ欠陥の問題を解決し、結晶成長の品質を向上させることができ、「高速成長、厚い成長、大きな成長」のためのコア技術の1つです。業界の研究では、TaC コーティングされたグラファイトるつぼはより均一な加熱を実現し、SiC 単結晶成長に優れたプロセス制御を提供し、それによって SiC 結晶エッジが多結晶を形成する確率を大幅に低減できることも示しています。加えて、TaC コーティングされた黒鉛るつぼ2 つの大きな利点があります。

(1) SiC 欠陥の低減 SiC 単結晶欠陥の制御には、通常 3 つの重要な方法があります。すなわち、成長パラメータの最適化と、高品質の原料材料 (SiCソース粉末）、黒鉛るつぼを次のものに置き換えます。TaC コーティングされた黒鉛るつぼ良好な結晶品質を実現します。

従来の黒鉛ルツボ（a）とTaCコートルツボ（b）の模式図 

韓国の東欧大学の研究によると、SiC結晶成長における主な不純物は窒素です。TaC コーティングされた黒鉛るつぼSiC 結晶への窒素の混入を効果的に制限できるため、マイクロチューブなどの欠陥の形成が減少し、結晶の品質が向上します。研究によると、同じ条件下では、キャリア濃度はSiCウェーハ従来の黒鉛るつぼで成長し、TaC コーティングるつぼはそれぞれ約4.5×1017/cmと7.6×1015/cmです。

従来の黒鉛るつぼ（a）とTaCコートるつぼ（b）のSiC単結晶育成における欠陥の比較

(2) 黒鉛るつぼの長寿命化 現在、SiC 結晶の価格は依然として高止まりしており、黒鉛消耗品がコストの約 30% を占めています。グラファイト消耗品のコストを削減する鍵は、その耐用年数を延ばすことにあります。英国の研究チームのデータによると、炭化タンタルコーティングはグラファイト部品の耐用年数を 30 ～ 50% 延ばすことができます。 TaC コーティングされたグラファイトを使用することにより、SiC 結晶のコストを 9% ～ 15% 削減できます。TaC被覆グラファイト一人で。

3. 炭化タンタルコーティングプロセス 

の準備TaCコーティング固相法、液相法、気相法の3つに分類されます。固相法には主に還元法と化合物法があります。液相法としては、溶融塩法、ゾルゲル法、スラリー焼結法、プラズマ溶射法などが挙げられる。気相法には、化学蒸着 (CVD)、化学蒸着 (CVI)、および物理蒸着 (PVD) 法などが含まれます。それぞれの方法には長所と短所があり、CVD は最も成熟しており、広く使用されている方法です。 TaCコーティングの準備中。継続的なプロセスの改善により、熱線化学蒸着やイオンビーム支援化学蒸着などの新しい技術が開発されました。

TaC コーティング修飾炭素系材料には、主に黒鉛、炭素繊維、炭素/炭素複合材料が含まれます。準備方法グラファイト上のTaCコーティングプラズマ溶射、CVD、スラリー焼結などが含まれます。

CVD法のメリット：TaCコーティングCVDによるタンタル源としてハロゲン化タンタル (TaX5)、炭素源として炭化水素 (CnHm)。特定の条件下では、これらの材料は Ta と C に分解し、それらが反応して生成します。TaCコーティング。 CVD は低温で実行できるため、高温でのコーティングの準備または処理中に発生する可能性のある欠陥や機械的特性の低下を回避できます。コーティングの組成と構造は CVD で制御でき、高純度、高密度、均一な厚さを実現します。さらに重要なことは、CVD は、高品質の TaC コーティングを調製するための成熟した広く採用されている方法を提供することです。組成と構造を容易に制御可能.

プロセスに影響を与える主な要因は次のとおりです。

(1) ガス流量 (タンタル源、炭素源としての炭化水素ガス、キャリアガス、希釈ガス Ar2、還元ガス H2):ガス流量の変化は、反応チャンバー内の温度、圧力、ガス流場に大きな影響を与え、コーティングの組成、構造、特性の変化につながります。 Ar 流量を増やすと、コーティングの成長速度が遅くなり、粒子サイズが小さくなりますが、TaCl5、H2、および C3H6 のモル質量比がコーティングの組成に影響します。 H2 と TaCl5 のモル比は (15-20):1 が最適で、TaCl5 と C3H6 のモル比は理想的には 3:1 に近いです。 TaCl5 または C3H6 が過剰になると、Ta2C または遊離炭素が形成され、ウェーハの品質に影響を与える可能性があります。

(2) 成膜温度：堆積温度が高いと、堆積速度が速くなり、粒子サイズが大きくなり、コーティングが粗くなります。さらに、炭化水素から C への分解温度と、TaCl5 から Ta への分解速度が異なるため、Ta2C の形成が容易になります。温度は TaC コーティングで改質されたカーボン材料に大きな影響を与え、温度が高くなると堆積速度、粒子サイズが増加し、形状が球形から多面体に変化します。さらに、温度が高くなると、TaCl5 の分解が促進され、遊離炭素が減少し、コーティングの内部応力が増加し、亀裂が発生する可能性があります。ただし、堆積温度が低いと、コーティングの堆積効率が低下し、堆積時間が長くなり、原材料コストが増加する可能性があります。

(3) 成膜圧力：堆積圧力は材料の表面自由エネルギーと密接に関係しており、反応チャンバー内のガスの滞留時間に影響を及ぼし、それによりコーティングの核生成速度と粒径に影響を与えます。堆積圧力が増加すると、ガスの滞留時間が長くなり、反応物の核生成反応に時間がかかり、反応速度が増加し、粒子が大きくなり、コーティングが厚くなります。逆に、堆積圧力を下げると、ガス滞留時間が減少し、反応速度が遅くなり、粒子サイズが減少し、コーティングが薄くなりますが、堆積圧力がコーティングの結晶構造や組成に与える影響は最小限に抑えられます。

4. 炭化タンタルコーティング開発の動向 

TaC の熱膨張係数 (6.6×10−6K−1) は、グラファイト、炭素繊維、C/C 複合材料などの炭素ベースの材料の熱膨張係数とはわずかに異なるため、単相 TaC コーティングに亀裂や剥離が生じやすくなります。 TaC コーティングの耐酸化性、高温での機械的安定性、および化学的腐食耐性をさらに改善するために、研究者は次の研究を行ってきました。複合コーティング、固溶体強化コーティング、勾配コーティング、など。

複合コーティングは、TaC の表面または内部層に追加のコーティングを導入して複合コーティング システムを形成することにより、単一コーティングの亀裂をシールします。 HfC、ZrC などの固溶強化システムは、TaC と同じ面心立方構造を持ち、2 つの炭化物間の無限の相互溶解を可能にして固溶体構造を形成します。 Hf(Ta)C コーティングは亀裂がなく、C/C 複合材料との良好な接着性を示します。これらのコーティングは優れた耐燃焼性を備えています。勾配コーティングとは、コーティング成分が厚さに沿って連続的に勾配分布しているコーティングを指します。この構造により、内部応力が軽減され、熱膨張係数の一致の問題が改善され、亀裂の形成が防止されます。

5. 炭化タンタルコーティング装置製品

QYR (Hengzhou Bozhi) の統計と予測によると、世界の売上高は炭化タンタルコーティング2021 年には 15 億 986 万ドルに達し (Cree の自社製造タンタル カーバイド コーティング装置製品を除く)、業界がまだ発展の初期段階にあることを示しています。

(1) 結晶成長に必要な膨張リングとるつぼ：1企業当たりの結晶成長炉200基を基に算出、市場シェアはTaCコーティング結晶成長会社 30 社が必要とする装置は約 47 億人民元です。

(2) TaC トレイ:各トレイには 3 枚のウェーハを搭載でき、トレイあたりの寿命は 1 か月です。 100 枚のウェーハごとに 1 つのトレイが消費されます。 300 万枚のウェーハには 30,000 枚のウェーハが必要TaCトレイ、各トレイには約 20,000 個のピース​​があり、合計すると年間約 60 億個になります。

(3) その他の脱炭素シナリオ。高温炉内ライニング、CVDノズル、炉パイプ等に約10億円。**