ایس آئی سی کی ترقی کے لیے بنیادی مواد: ٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ

سلکان کاربائیڈ سنگل کرسٹل کی تیاری کے لیے عام طور پر استعمال ہونے والا طریقہ PVT (فزیکل ویپر ٹرانسپورٹ) طریقہ ہے، جہاں اصول میں خام مال کو اعلی درجہ حرارت والے علاقے میں رکھنا شامل ہے، جب کہ سیڈ کرسٹل نسبتاً کم درجہ حرارت والے علاقے میں ہوتا ہے۔ اعلی درجہ حرارت پر خام مال گل جاتا ہے، بغیر کسی مائع مرحلے سے گزرے براہ راست گیسی مادے پیدا کرتا ہے۔ یہ گیسی مادّے، جو محوری درجہ حرارت کے میلان سے چلتے ہیں، بیج کرسٹل میں منتقل کیے جاتے ہیں، جہاں نیوکلیشن اور نمو ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں سلیکون کاربائیڈ سنگل کرسٹل کا کرسٹلائزیشن ہوتا ہے۔ فی الحال، غیر ملکی کمپنیاں جیسے کری، II-VI، SiCrystal، Dow، اور گھریلو کمپنیاں جیسے Tianyue Advanced، Tianke Heida، اور Century Jingxin یہ طریقہ استعمال کرتی ہیں۔

سلکان کاربائیڈ میں 200 سے زیادہ کرسٹل اقسام ہیں، اور مطلوبہ واحد کرسٹل قسم (بنیادی طور پر 4H کرسٹل قسم) پیدا کرنے کے لیے درست کنٹرول کی ضرورت ہے۔ Tianyue Advanced کے IPO کے انکشاف کے مطابق، 2018 سے H1 2021 تک کرسٹل راڈ کی پیداوار کی شرحیں 41%، 38.57%، 50.73%، اور 49.90% تھیں، جبکہ سبسٹریٹ کی پیداوار کی شرحیں 72.61%، %57، %47، %47، %47. فی الحال صرف 37.7% کی مجموعی پیداوار کی شرح۔ مرکزی دھارے کے PVT طریقہ کو بطور مثال استعمال کرتے ہوئے، کم پیداوار کی شرح بنیادی طور پر SiC سبسٹریٹ کی تیاری میں درج ذیل مشکلات کی وجہ سے ہے:

مشکل درجہ حرارت فیلڈ کنٹرول: SiC کرسٹل سلاخوں کو 2500 ° C پر تیار کرنے کی ضرورت ہے، جب کہ سلیکون کرسٹل کو صرف 1500 ° C کی ضرورت ہوتی ہے، خصوصی سنگل کرسٹل فرنس کی ضرورت ہوتی ہے۔ پیداوار کے دوران درجہ حرارت کا درست کنٹرول اہم چیلنجز کا باعث بنتا ہے۔

سست پیداوار کی رفتار: روایتی سلیکون مواد 300 ملی میٹر فی گھنٹہ کی شرح سے بڑھتا ہے، جبکہ سلکان کاربائیڈ سنگل کرسٹل صرف 400 مائیکرو میٹر فی گھنٹہ کی رفتار سے بڑھ سکتے ہیں، تقریباً 800 گنا سست۔

اعلی معیار کے پیرامیٹرز کی ضرورت، بلیک باکس کی پیداوار کی شرح کے حقیقی وقت پر قابو پانے میں دشواری: SiC ویفرز کے بنیادی پیرامیٹرز میں مائیکرو ٹیوب کثافت، نقل مکانی کی کثافت، مزاحمت، گھماؤ، سطح کی کھردری وغیرہ شامل ہیں۔ کاربن کا تناسب، درجہ حرارت کا درجہ حرارت، کرسٹل کی ترقی کی شرح، ہوا کے بہاؤ کا دباؤ، وغیرہ، پولی کرسٹل لائن آلودگی سے بچنے کے لیے ضروری ہے، جس کے نتیجے میں نا اہل کرسٹل ہوتے ہیں۔ گریفائٹ کروسیبل کے بلیک باکس میں کرسٹل کی نمو کا حقیقی وقت کا مشاہدہ ممکن نہیں ہے، جس کے لیے عین تھرمل فیلڈ کنٹرول، مواد کی مماثلت، اور جمع شدہ تجربے کی ضرورت ہوتی ہے۔

کرسٹل کے قطر کی توسیع میں دشواری: گیس فیز ٹرانسپورٹ کے طریقہ کار کے تحت، SiC کرسٹل کی ترقی کے لیے توسیعی ٹیکنالوجی اہم چیلنجز پیش کرتی ہے، کرسٹل کے سائز میں اضافے کے ساتھ جیومیٹریکل طور پر بڑھنے کی دشواری کے ساتھ۔

عام طور پر کم پیداوار کی شرح: کم پیداوار کی شرح دو لنکس پر مشتمل ہے - (1) کرسٹل راڈ کی پیداوار کی شرح = سیمی کنڈکٹر گریڈ کرسٹل راڈ آؤٹ پٹ / (سیمی کنڈکٹر گریڈ کرسٹل راڈ آؤٹ پٹ + نان سیمی کنڈکٹر گریڈ کرسٹل راڈ آؤٹ پٹ) × 100٪؛ (2) سبسٹریٹ کی پیداوار کی شرح = کوالیفائیڈ سبسٹریٹ آؤٹ پٹ / (کوالیفائیڈ سبسٹریٹ آؤٹ پٹ + نا اہل سبسٹریٹ آؤٹ پٹ) × 100%۔

اعلیٰ معیار، اعلیٰ پیداوار والے سلیکون کاربائیڈ سبسٹریٹس تیار کرنے کے لیے، درست درجہ حرارت کے کنٹرول کے لیے ایک اچھا ہیٹ فیلڈ مواد ضروری ہے۔ موجودہ تھرمل فیلڈ کروسیبل کٹس بنیادی طور پر اعلی پاکیزگی والے گریفائٹ ساختی اجزاء پر مشتمل ہیں، جو گرم کرنے، کاربن پاؤڈر اور سلیکون پاؤڈر کو پگھلانے، اور موصلیت کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ گریفائٹ کے مواد میں اعلیٰ مخصوص طاقت اور مخصوص ماڈیولس، تھرمل جھٹکا اور سنکنرن کے خلاف اچھی مزاحمت وغیرہ ہوتی ہے۔ تاہم، ان میں خرابیاں ہیں جیسے کہ اعلی درجہ حرارت والے آکسیجن ماحول میں آکسیڈیشن، امونیا کے خلاف کمزور مزاحمت اور کھرچنا، جس کی وجہ سے وہ بڑھتی ہوئی سختی کو پورا نہیں کر پاتے۔ سلکان کاربائیڈ سنگل کرسٹل گروتھ اور ایپیٹیکسیل ویفر پروڈکشن میں گریفائٹ مواد کی ضروریات۔ لہذا، اعلی درجہ حرارت کی ملعمع کاری کی طرحٹینٹلم کاربائیڈمقبولیت حاصل کر رہے ہیں.

1. کی خصوصیاتٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ 

ٹینٹلم کاربائیڈ (TaC) سیرامک ​​کا پگھلنے کا نقطہ 3880 °C ہے، جس میں اعلی سختی (9-10 کی Mohs سختی)، اہم تھرمل چالکتا (22W·m-1·K−1)، اعلی لچکدار طاقت (340-400MPa) )، اور کم تھرمل ایکسپینشن گتانک (6.6×10−6K−1)۔ یہ گریفائٹ کے ساتھ اچھی کیمیائی اور مکینیکل مطابقت کے ساتھ بہترین تھرمل اور کیمیائی استحکام اور شاندار جسمانی خصوصیات کی نمائش کرتا ہے،C/C جامع موادلہذا، ٹی اے سی کوٹنگز ایرو اسپیس تھرمل پروٹیکشن، سنگل کرسٹل گروتھ، انرجی الیکٹرانکس، میڈیکل ڈیوائسز اور دیگر شعبوں میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتی ہیں۔

گریفائٹ پر ٹی اے سی کوٹنگننگی گریفائٹ یا سے بہتر کیمیائی سنکنرن مزاحمت ہےسی سی لیپت گریفائٹ، اور بہت سے دھاتی عناصر کے ساتھ رد عمل کے بغیر 2600 ° C تک اعلی درجہ حرارت پر مستحکم طور پر استعمال کیا جاسکتا ہے۔ یہ تھرڈ جنریشن سیمی کنڈکٹر سنگل کرسٹل گروتھ اور ویفر اینچنگ کے لیے بہترین کوٹنگ سمجھی جاتی ہے، جس سے عمل میں درجہ حرارت اور ناپاکی پر قابو پانے میں نمایاں بہتری آتی ہے، جس سے اعلیٰ معیار کے سیلیکون کاربائیڈ ویفرز کی پیداوار ہوتی ہے۔epitaxial wafers. یہ خاص طور پر GAN یا کے MOCVD سامان کی ترقی کے لئے موزوں ہے۔AlN سنگل کرسٹلاور PVT آلات میں SiC سنگل کرسٹل کی نمو، جس کے نتیجے میں کرسٹل کے معیار میں نمایاں اضافہ ہوا ہے۔

2. کے فوائدٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ 

آلات کا استعمالٹینٹلم کاربائیڈ (ٹی اے سی) کوٹنگزکرسٹل ایج ڈیفیکٹ کے مسائل کو حل کر سکتا ہے، کرسٹل گروتھ کوالٹی کو بہتر بنا سکتا ہے، اور "تیز ترقی، موٹی نمو، بڑی ترقی" کے لیے بنیادی ٹیکنالوجیز میں سے ایک ہے۔ صنعتی تحقیق نے یہ بھی دکھایا ہے کہ TaC کوٹڈ گریفائٹ کروسیبل زیادہ یکساں حرارت حاصل کر سکتے ہیں، جو SiC سنگل کرسٹل کی نمو کے لیے بہترین عمل کنٹرول فراہم کرتے ہیں، اس طرح SiC کرسٹل کناروں کے پولی کرسٹل بننے کے امکان کو نمایاں طور پر کم کر دیتے ہیں۔ اس کے علاوہ،ٹی اے سی لیپت گریفائٹ کروسیبلزدو اہم فوائد پیش کرتے ہیں:

(1) SiC نقائص میں کمی SiC سنگل کرسٹل نقائص کے کنٹرول میں، عام طور پر تین اہم طریقے ہیں، یعنی ترقی کے پیرامیٹرز کو بہتر بنانا اور اعلیٰ معیار کے ماخذ مواد کا استعمال (جیسےایس سی سورس پاؤڈر)، اور گریفائٹ کروسیبلز کو اس سے تبدیل کرناٹی اے سی لیپت گریفائٹ کروسیبلزاچھے کرسٹل معیار کو حاصل کرنے کے لئے.

روایتی گریفائٹ کروسیبل (a) اور TaC لیپت کروسیبل (b) کا اسکیمیٹک خاکہ 

کوریا میں مشرقی یورپی یونیورسٹی کی تحقیق کے مطابق، SiC کرسٹل گروتھ میں بنیادی نجاست نائٹروجن ہے۔ٹی اے سی لیپت گریفائٹ کروسیبلزایس آئی سی کرسٹل میں نائٹروجن کی شمولیت کو مؤثر طریقے سے محدود کر سکتا ہے، اس طرح مائکروٹیوبس جیسے نقائص کی تشکیل کو کم کر کے کرسٹل کے معیار کو بہتر بنا سکتا ہے۔ مطالعے سے پتہ چلتا ہے کہ اسی حالات کے تحت، کیریئر کی حراستی میںSiC ویفرزروایتی گریفائٹ crucibles میں اضافہ ہوا اورٹی سی لیپت کروسیبلزبالترتیب تقریباً 4.5×1017/cm اور 7.6×1015/cm ہے۔

روایتی گریفائٹ کروسیبل (a) اور TaC- coated crucible (b) کے درمیان SiC سنگل کرسٹل نمو میں نقائص کا موازنہ

(2) گریفائٹ کروسیبلز کی زندگی کو طول دینا فی الحال، SiC کرسٹل کی قیمت زیادہ ہے، گریفائٹ کے استعمال کی اشیاء کی لاگت کا تقریباً 30% ہے۔ گریفائٹ کے قابل استعمال اخراجات کو کم کرنے کی کلید ان کی خدمت زندگی کو بڑھانے میں مضمر ہے۔ ایک برطانوی تحقیقی ٹیم کے اعداد و شمار کے مطابق، ٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگز گریفائٹ کے اجزاء کی سروس لائف کو 30-50 فیصد تک بڑھا سکتی ہیں۔ ٹی اے سی لیپت گریفائٹ کا استعمال کرتے ہوئے، ایس آئی سی کرسٹل کی قیمت کو تبدیل کرنے کے ذریعے 9%-15% تک کم کیا جا سکتا ہے۔ٹی اے سی لیپت گریفائٹاکیلے

3. ٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ کا عمل 

کی تیاریٹی اے سی کوٹنگزتین اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: ٹھوس مرحلے کا طریقہ، مائع مرحلے کا طریقہ، اور گیس مرحلے کا طریقہ۔ ٹھوس مرحلے کے طریقہ کار میں بنیادی طور پر کمی کا طریقہ اور کمپاؤنڈ طریقہ شامل ہے۔ مائع مرحلے کے طریقہ کار میں پگھلے ہوئے نمک کا طریقہ، سول جیل کا طریقہ، سلری-سینٹرنگ طریقہ، پلازما چھڑکنے کا طریقہ شامل ہے۔ گیس فیز کے طریقہ کار میں کیمیائی بخارات جمع کرنے (CVD)، کیمیائی بخارات کی دراندازی (CVI)، اور جسمانی بخارات جمع کرنے (PVD) کے طریقے وغیرہ شامل ہیں۔ ہر طریقہ کے اپنے فوائد اور خامیاں ہیں، جس میں CVD سب سے زیادہ پختہ اور وسیع پیمانے پر استعمال ہونے والا طریقہ ہے۔ ٹی اے سی کوٹنگز کی تیاری۔ مسلسل عمل میں بہتری کے ساتھ، نئی تکنیکیں تیار کی گئی ہیں جیسے گرم تار کیمیائی بخارات جمع کرنا اور آئن بیم کی مدد سے کیمیائی بخارات جمع کرنا۔

TaC کوٹنگ میں ترمیم شدہ کاربن پر مبنی مواد میں بنیادی طور پر گریفائٹ، کاربن فائبر، اور کاربن/کاربن مرکب مواد شامل ہیں۔ تیاری کے طریقےگریفائٹ پر ٹی اے سی کوٹنگزپلازما چھڑکاؤ، CVD، slurry-sintering، وغیرہ شامل ہیں۔

CVD طریقہ کے فوائد: کی تیاریٹی اے سی کوٹنگزCVD کے ذریعے پر مبنی ہےٹینٹلم ہالائیڈز (TaX5) بطور ٹینٹلم ماخذ اور ہائیڈرو کاربن (CnHm) کاربن ماخذ کے طور پر. مخصوص حالات کے تحت، یہ مواد Ta اور C میں گل جاتے ہیں، جو کہ رد عمل کا اظہار کرتے ہیں۔ٹی اے سی کوٹنگز. CVD کو کم درجہ حرارت پر کیا جا سکتا ہے، اس طرح نقائص اور کم میکینیکل خصوصیات سے بچنا جو اعلی درجہ حرارت کی کوٹنگ کی تیاری یا علاج کے دوران پیدا ہو سکتے ہیں۔ کوٹنگز کی ساخت اور ساخت کو CVD کے ذریعے کنٹرول کیا جا سکتا ہے، جو اعلیٰ پاکیزگی، اعلی کثافت اور یکساں موٹائی کی پیشکش کرتا ہے۔ زیادہ اہم بات یہ ہے کہ CVD اعلیٰ معیار کی TaC کوٹنگز کی تیاری کے لیے ایک پختہ اور وسیع پیمانے پر اپنایا جانے والا طریقہ فراہم کرتا ہے۔آسانی سے قابل کنٹرول ساخت اور ساخت.

اس عمل کو متاثر کرنے والے اہم عوامل میں شامل ہیں:

(1) گیس کے بہاؤ کی شرح (ٹینٹلم سورس، کاربن ماخذ کے طور پر ہائیڈرو کاربن گیس، کیریئر گیس، ڈیلیوئنٹ گیس Ar2، گیس H2 کو کم کرنا):گیس کے بہاؤ کی شرح میں تبدیلیاں رد عمل کے چیمبر میں درجہ حرارت، دباؤ اور گیس کے بہاؤ کے میدان کو نمایاں طور پر متاثر کرتی ہیں، جس سے کوٹنگ کی ساخت، ساخت اور خصوصیات میں تبدیلیاں آتی ہیں۔ Ar کے بہاؤ میں اضافہ کوٹنگ کی ترقی کی شرح کو کم کرے گا اور اناج کے سائز کو کم کرے گا، جبکہ TaCl5، H2، اور C3H6 کا داڑھ ماس تناسب کوٹنگ کی ساخت کو متاثر کرتا ہے۔ H2 سے TaCl5 کا داڑھ کا تناسب (15-20):1 پر سب سے زیادہ موزوں ہے، اور TaCl5 سے C3H6 کا داڑھ کا تناسب مثالی طور پر 3:1 کے قریب ہے۔ ضرورت سے زیادہ TaCl5 یا C3H6 کے نتیجے میں Ta2C یا مفت کاربن بن سکتا ہے، جو ویفر کے معیار کو متاثر کرتا ہے۔

(2) جمع درجہ حرارت:زیادہ جمع کرنے کا درجہ حرارت تیزی سے جمع ہونے کی شرح، بڑے اناج کے سائز، اور کھردری کوٹنگز کا باعث بنتا ہے۔ مزید برآں، سڑنے کے درجہ حرارت اور ہائیڈرو کاربن کے C اور TaCl5 کو Ta میں تبدیل کرنے کی شرح مختلف ہے، جس کی وجہ سے Ta2C کی تشکیل آسان ہوتی ہے۔ درجہ حرارت کا TaC کوٹنگ میں ترمیم شدہ کاربن مواد پر نمایاں اثر پڑتا ہے، اعلی درجہ حرارت کے ساتھ جمع ہونے کی شرح، اناج کے سائز، کروی سے پولی ہیڈرل شکلوں میں تبدیل ہوتے ہیں۔ مزید برآں، زیادہ درجہ حرارت TaCl5 کی سڑن کو تیز کرتا ہے، آزاد کاربن کو کم کرتا ہے، کوٹنگز میں اندرونی تناؤ کو بڑھاتا ہے، اور کریکنگ کا باعث بن سکتا ہے۔ تاہم، کم جمع درجہ حرارت کوٹنگ جمع کرنے کی کارکردگی کو کم کر سکتا ہے، جمع کرنے کے وقت کو طول دے سکتا ہے، اور خام مال کی لاگت میں اضافہ کر سکتا ہے۔

(3) جمع دباؤ:جمع کرنے کا دباؤ مواد کی سطح سے آزاد توانائی سے گہرا تعلق رکھتا ہے اور رد عمل کے چیمبر میں گیسوں کے رہائش کے وقت کو متاثر کرتا ہے، اس طرح نیوکلیشن کی شرح اور کوٹنگز کے اناج کے سائز کو متاثر کرتا ہے۔ جیسے جیسے جمع کرنے کا دباؤ بڑھتا ہے، گیس کی رہائش کا وقت لمبا ہو جاتا ہے، جس سے ری ایکٹنٹس کو نیوکلیشن ری ایکشن کے لیے زیادہ وقت ملتا ہے، رد عمل کی شرح میں اضافہ، اناج کو بڑا کرنا، اور کوٹنگز کو گاڑھا کرنا۔ اس کے برعکس، جمع کرنے کے دباؤ کو کم کرنے سے گیس کی رہائش کا وقت کم ہوتا ہے، رد عمل کی شرح کم ہوتی ہے، اناج کا سائز کم ہوتا ہے، کوٹنگز پتلی ہوتی ہیں، لیکن جمع دباؤ کا کرسٹل کی ساخت اور کوٹنگز کی ساخت پر کم سے کم اثر پڑتا ہے۔

4. ٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ کی ترقی کے رجحانات 

TaC (6.6×10−6K−1) کا تھرمل ایکسپینشن گتانک کاربن پر مبنی مواد جیسے گریفائٹ، کاربن فائبرز، C/C جامع مواد سے تھوڑا سا مختلف ہے، جس کی وجہ سے سنگل فیز TaC کوٹنگز آسانی سے ٹوٹ جاتی ہیں یا ٹوٹ جاتی ہیں۔ آکسیکرن مزاحمت، اعلی درجہ حرارت مکینیکل استحکام، اور TaC کوٹنگز کی کیمیائی سنکنرن مزاحمت کو مزید بہتر بنانے کے لیے، محققین نے اس پر مطالعہ کیا ہے۔جامع کوٹنگز، ٹھوس حل کو مضبوط کرنے والی ملعمع کاری، تدریجی کوٹنگزوغیرہ

جامع کوٹنگز ٹی اے سی کی سطح یا اندرونی تہوں میں اضافی کوٹنگز متعارف کروا کر، جامع کوٹنگ سسٹم بنا کر سنگل کوٹنگز میں دراڑیں بند کر دیتی ہیں۔ HfC، ZrC، وغیرہ جیسے ٹھوس محلول کو مضبوط کرنے والے نظاموں میں TaC جیسا ہی چہرہ مرکوز کیوبک ڈھانچہ ہوتا ہے، جو دو کاربائیڈز کے درمیان لامحدود باہمی حل پذیری کو ایک ٹھوس محلول کا ڈھانچہ بنانے کے قابل بناتا ہے۔ Hf(Ta)C کوٹنگز شگاف سے پاک ہیں اور C/C جامع مواد کے ساتھ اچھی چپکنے کی نمائش کرتی ہیں۔ یہ ملعمع کاری بہترین جلنے کے خلاف مزاحمت پیش کرتے ہیں۔ گریڈینٹ کوٹنگز ان کوٹنگز کا حوالہ دیتے ہیں جن کی موٹائی کے ساتھ کوٹنگ کے اجزاء کی مسلسل تدریجی تقسیم ہوتی ہے۔ یہ ڈھانچہ اندرونی تناؤ کو کم کر سکتا ہے، تھرمل توسیعی گتانک کے ملاپ کے مسائل کو بہتر بنا سکتا ہے، اور شگاف کی تشکیل کو روک سکتا ہے۔

5. ٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ ڈیوائس کی مصنوعات

QYR (Hengzhou Bozhi) کے اعدادوشمار اور پیشن گوئی کے مطابق، کی عالمی فروختٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگز2021 میں 1.5986 ملین USD تک پہنچ گئی (کری کی خود تیار کردہ ٹینٹلم کاربائیڈ کوٹنگ ڈیوائس پروڈکٹس کو چھوڑ کر)، اس بات کا اشارہ ہے کہ صنعت ابھی ترقی کے ابتدائی مراحل میں ہے۔

(1) کرسٹل کی نمو کے لیے درکار توسیعی حلقے اور کروسیبلز:فی انٹرپرائز 200 کرسٹل گروتھ فرنس کی بنیاد پر حساب لگایا گیا، کا مارکیٹ شیئرٹی اے سی کوٹنگ30 کرسٹل گروتھ کمپنیوں کو درکار ڈیوائس تقریباً 4.7 بلین RMB ہے۔

(2) TaC ٹرے:ہر ٹرے میں 3 ویفر ہو سکتے ہیں، فی ٹرے 1 ماہ کی عمر کے ساتھ۔ ہر 100 ویفرز ایک ٹرے کھاتے ہیں۔ 3 ملین ویفرز کے لیے 30,000 کی ضرورت ہوتی ہے۔ٹی اے سی ٹرے۔ہر ٹرے میں تقریباً 20,000 ٹکڑے ہوتے ہیں، جو کل تقریباً 6 بلین سالانہ ہوتے ہیں۔

(3) دیگر decarbonization کے منظرنامے۔تقریباً 1 بلین ہائی ٹمپریچر فرنس لائننگز، سی وی ڈی نوزلز، فرنس پائپ وغیرہ کے لیے۔**