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MOCVD中不可替代的“铼”加热器件

MOCVD中不可替代的“铼”加热器件

  • 分类:应用技术
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  • 来源:
  • 发布时间:2020-12-11 11:35
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【概要描述】金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,简称 MOCVD)是制备混合半导体器件、金属及金属氧化物、金属氮化物薄膜材料的一种芯片外延技术。MOCVD系统中,晶体生长多在常压或低压状态下(10-100Torr),衬底温度为500~1200℃,为了能够生长出纯净、界面陡峭、一致性好的薄膜材料, MOCVD设备需要为化学反应提供合适的环境。加热系统是 MOCVD 设备的重要组成部分,它能否快速、均匀的加热衬底,直接影响着薄膜沉积的质量、厚度一致性,以及芯片的性能。

MOCVD中不可替代的“铼”加热器件

【概要描述】金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,简称 MOCVD)是制备混合半导体器件、金属及金属氧化物、金属氮化物薄膜材料的一种芯片外延技术。MOCVD系统中,晶体生长多在常压或低压状态下(10-100Torr),衬底温度为500~1200℃,为了能够生长出纯净、界面陡峭、一致性好的薄膜材料, MOCVD设备需要为化学反应提供合适的环境。加热系统是 MOCVD 设备的重要组成部分,它能否快速、均匀的加热衬底,直接影响着薄膜沉积的质量、厚度一致性,以及芯片的性能。

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金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,简称 MOCVD)是制备混合半导体器件、金属及金属氧化物、金属氮化物薄膜材料的一种芯片外延技术。MOCVD系统中,晶体生长多在常压或低压状态下(10-100Torr),衬底温度为500~1200℃,为了能够生长出纯净、界面陡峭、一致性好的薄膜材料, MOCVD设备需要为化学反应提供合适的环境。加热系统是 MOCVD 设备的重要组成部分,它能否快速、均匀的加热衬底,直接影响着薄膜沉积的质量、厚度一致性,以及芯片的性能。

MOCVD加热器的工况非常苛刻:连续工作时间长,温度高、热流密度大和反复的升降温。电阻片是加热器的核心部分,在通以一定的电流后电阻片发热,成为整个设备的热源。用于放置衬底的石墨盘表面温度为1350K的时候,电阻片的温度高达2000K,升温过程中电阻加热器的温度可以达到2500℃以上,所以选用的材料必须有熔点高、高温强度好、化学稳定性高等特性。以生长 GaN 的 MOCVD 设备为例,其最佳生长温度在 1000~1200℃ 左右。加热器发热元件的温度1500~2000℃ 左右。生长 GaN 的工艺中,要求外延衬底快速升温(升温速率达到 3-10℃ /s)和降温。

根据MOCVD设备的工艺要求,加热圈的性能必须满足:1. 实现大尺寸石墨托盘的均匀加热,有效面积比例尽量覆盖整个盘面;2. 现升降温速率快、稳定时间短;3. 升降温动态过程中保持温度均匀;4. 对于不同的气体流动环境,都能实现均匀加热;5、在反复升降温使用过程中,结构稳定可靠,寿命长。

根据MOCVD的工作特点,选用金属电阻加热元件是最合理,而根据实际需要满足的温度条件,仅有钨,铼等少数难熔金属才能满足使用需求。

性能名称

纯钨

纯铼

熔点/℃

3410

3170

密度/(g/cm3)

19.3

21.02

 

电阻率μΩ·cm

20℃

5.5

19.8

1000℃

36.2

62

1500℃

52

82

2000℃

66

150

显微硬度/MPa

加工态

3423-3923

4903-7845

1000℃退火

834

2256-2452

 

抗拉强度/MPa

加工态

1950

1600

1400℃退火

1650

1400

1600℃退火

1200

1400

1800℃退火

850

1400

 

延伸率/%

加工态

1-2

1-2

1400℃退火

1-2

20-25

1600℃退火

1-2

18-20

1800℃退火

1-2

10-15

再结晶温度

1100℃

1500℃

钨加热器件经高温使用发生再结晶以后会变脆,在受冲击或震动的情况下极易断裂。而铼相对于钨具有更高的再结晶温度,而且再结晶后的铼也不是脆性材料,只是强度下降,作为非承力的加热器件依然具备良好的工作能力,具有最佳高温稳定性,更高的抗蠕变强度。因此,铼被用于制造MOCVD的加热器件,综合使用性能和成本考虑,是最恰当的选择,无其它材料可以替代。

 

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关于MOCVD
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2020-12-01
MOCVD 设备的制造技术被国外少数几个公司所掌握,如德国的AIXTRON、英国的Thomas Swan 与EMF、美国的Veeco、日本的Nishia、Nippon Sanso 和NissinElectric 等,还有一些公司在生产过程中采用自己独特的MOCVD 设备。
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钛铼合金打造的“深海怪兽”
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1978年4月22日,位于俄罗斯与欧洲部分北部,阿尔汉格尔斯克州的港口城市北德文斯克造船厂开始建造一艘神秘的新型M级战略攻击型核潜艇。该艇采用双层壳体结构设计,并创造性地在“太空金属”钛合金中添加稀散难熔金属“铼”制成潜艇外壳。K278战略核潜艇的出现再一次向全世界展示了“战斗民族”在军事工业上的制造实力。当时为了生产出全球最强的战略核潜艇,前苏联也不惜血本,要知道当时全球金属铼的年产量也只有一、二十吨。 
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关于铼方面的技术
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铼是一种稀散、难熔金属。稀散是指铼在地壳中的含量稀少、分散,难熔是指铼金属的熔点极高,其熔点高达3180℃,仅次于钨,居所有金属的第二位。因其化合物的催化活性、耐高温、耐腐蚀等优异特性,主要用于石油冶炼催化剂、热电高温合金、电子管结构材料、航空航天特殊合金、环境保护等领域。一、铼的发现和资源  铼是稀有金属中的一个真正稀散元素。它在地壳中的含量比所有的稀土元素都小,铼仅仅大于镤和镭这些元素。再加上
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高纯金属材料的应用和发展
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高纯钨  纯度达到99.999%(5N)和99.9999%(6N)的纯钨材料,称之为高纯钨。高纯钨的总杂质元素含量应被控制在1ppm~10ppm(10-6~10-5)之间,对于某些特别杂质元素的含量,如放射性元素、碱金属元素、重金属元素和气体元素等还分别有特殊的要求。由于放射性元素U和Th具有a射线,在记忆回路中可引起“软误差”而影响电路的质量和性能,所以在高纯钨的杂质元素中,要求U和Th的含量应特别低,一般来说应低至1ppb(即1×10-9)以下,最低达到0.1ppb(1×10-10)。另外,高纯钨对于碱金属元素(K、Na、Li)的含量也分别有严格要求。高纯钨主要被制备成纯金属靶材或合金靶材,通过磁控溅射的方式得到符合要求的功能薄膜。由于高纯钨(5N或6N)具有对电子迁移的高电阻、高温稳定性以及能形成稳定的硅化物,在电子工业中以薄膜形式用作栅极、连接和障碍金属。高纯钨及钨硅、钨钛溅射靶材常被施以薄膜形式用于超大规模集成电路作为电阻层、扩散阻挡层、过渡层等以及在金属氧化物半导体型晶体管中作为门材料及连接材料等。现代电子、半导体、光伏产业的飞速发展,对材料特别是金属材料的纯度要求近乎苛刻完美。高纯钨由于其极高的性能表现而在其中扮演着十分重要的角色。高纯钼  纯度达到99.99%(4N)和99.999%(5N)的纯钼材料,称之为高纯钼。高纯钼的总杂质元素含量相应被控制在100ppm~10ppm(10-4~10-5)之间。和高纯钨一样,对于高纯钼中某些特别杂质元素的含量,如放射性元素、碱金属元素、重金属元素和气体元素等也分别有特殊的要求。由于高纯钼主要应用于靶材领域,所以一般要求U+Th和碱金属的含量十分低。由于高纯钼材料的实验开发较晚,工业化制造更是无从说起,其用途在几年前还往往被工业级或粉冶级的普通钼材料代替。然而,近年来半导体产业的突飞猛进以及高精密电子产品快速升级换代,大大促进了对基础材料更高更新的要求。和高纯钨一样,高纯钼主要被制备成纯金属靶材或合金靶材,通过磁控溅射的方式得到符合要求的功能薄膜。溅射的工作原理是用高速粒子轰击靶材,使靶材表面的金属原子脱离靶材,以薄膜的形式沉积到玻璃或其他基板上,最终形成复杂的配线结构。相对于普通钼靶而言,高纯钼溅射靶材由于其杂质含量极少、化学纯度很高,从而可形成更高品质的薄膜材料,现已广泛用于制造薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD);半导体工业大规模集成电路的配线材料;太阳能工业新型薄膜系太阳能电池;以及其它高新材料领域。半导体等大型集成电路对金属材料的纯度要求极高,高纯钼由于其极优的性能表现而在现代电子、半导体、光伏产业中成为首选的高端优质材料。溅射靶材Sputter磁控溅镀原理  Sputter在辞典中意思为:(植物)溅散。此之所谓溅镀乃指物体以离子撞击时,被溅射飞散出。因被溅射飞散的物体附著于目标基板上而制成薄膜。在日光灯的插座附近常见的变黑现象,即为身边最赏见之例,此乃因日光灯的电极被溅射出而附著于周围所形成。溅镀现象,自19世纪被发现以来,就不受欢迎,特别在放电管领域中尤当防止。近年来被引用于薄膜制作技术效效佳,将成为可用之物。薄膜制作的应用研究,当初主要为BellLab.及WesternElectric公司,于1963年制成全长10m左右的连续溅镀装置。1966年由IBM公司发表高周波溅镀技术,使得绝缘物之薄膜亦可制作。后经种种研究至今已达“不管基板的材料为何,皆可被覆盖任何材质之薄膜”目的境地。而若要制作一薄膜,至少需要有装置薄膜的基板及保持真空状况的道具(内部机构)。这种道具即为制作一空间,并使用真空泵将其内气体抽出的必要。Sputter溅镀定义:在一相对稳定真空状态下,阴阳极间产生辉光放电,极间气体分子被离子化而产生带电电荷,其中正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材,将其原子等粒子溅出,此溅出之原子则沉积于阳极之基板上而形成薄膜,此物理现象即称溅镀。
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高纯钨  纯度达到99.999%(5N)和99.9999%(6N)的纯钨材料,称之为高纯钨。高纯钨的总杂质元素含量应被控制在1ppm~10ppm(10-6~10-5)之间,对于某些特别杂质元素的含量,如放射性元素、碱金属元素、重金属元素和气体元素等还分别有特殊的要求。由于放射性元素U和Th具有a射线,在记忆回路中可引起“软误差”而影响电路的质量和性能,所以在高纯钨的杂质元素中,要求U和Th的含量应特别低,一般来说应低至1ppb(即1×10-9)以下,最低达到0.1ppb(1×10-10)。另外,高纯钨对于碱金属元素(K、Na、Li)的含量也分别有严格要求。高纯钨主要被制备成纯金属靶材或合金靶材,通过磁控溅射的方式得到符合要求的功能薄膜。由于高纯钨(5N或6N)具有对电子迁移的高电阻、高温稳定性以及能形成稳定的硅化物,在电子工业中以薄膜形式用作栅极、连接和障碍金属。高纯钨及钨硅、钨钛溅射靶材常被施以薄膜形式用于超大规模集成电路作为电阻层、扩散阻挡层、过渡层等以及在金属氧化物半导体型晶体管中作为门材料及连接材料等。现代电子、半导体、光伏产业的飞速发展,对材料特别是金属材料的纯度要求近乎苛刻完美。高纯钨由于其极高的性能表现而在其中扮演着十分重要的角色。高纯钼  纯度达到99.99%(4N)和99.999%(5N)的纯钼材料,称之为高纯钼。高纯钼的总杂质元素含量相应被控制在100ppm~10ppm(10-4~10-5)之间。和高纯钨一样,对于高纯钼中某些特别杂质元素的含量,如放射性元素、碱金属元素、重金属元素和气体元素等也分别有特殊的要求。由于高纯钼主要应用于靶材领域,所以一般要求U+Th和碱金属的含量十分低。由于高纯钼材料的实验开发较晚,工业化制造更是无从说起,其用途在几年前还往往被工业级或粉冶级的普通钼材料代替。然而,近年来半导体产业的突飞猛进以及高精密电子产品快速升级换代,大大促进了对基础材料更高更新的要求。和高纯钨一样,高纯钼主要被制备成纯金属靶材或合金靶材,通过磁控溅射的方式得到符合要求的功能薄膜。溅射的工作原理是用高速粒子轰击靶材,使靶材表面的金属原子脱离靶材,以薄膜的形式沉积到玻璃或其他基板上,最终形成复杂的配线结构。相对于普通钼靶而言,高纯钼溅射靶材由于其杂质含量极少、化学纯度很高,从而可形成更高品质的薄膜材料,现已广泛用于制造薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD);半导体工业大规模集成电路的配线材料;太阳能工业新型薄膜系太阳能电池;以及其它高新材料领域。半导体等大型集成电路对金属材料的纯度要求极高,高纯钼由于其极优的性能表现而在现代电子、半导体、光伏产业中成为首选的高端优质材料。溅射靶材Sputter磁控溅镀原理  Sputter在辞典中意思为:(植物)溅散。此之所谓溅镀乃指物体以离子撞击时,被溅射飞散出。因被溅射飞散的物体附著于目标基板上而制成薄膜。在日光灯的插座附近常见的变黑现象,即为身边最赏见之例,此乃因日光灯的电极被溅射出而附著于周围所形成。溅镀现象,自19世纪被发现以来,就不受欢迎,特别在放电管领域中尤当防止。近年来被引用于薄膜制作技术效效佳,将成为可用之物。薄膜制作的应用研究,当初主要为BellLab.及WesternElectric公司,于1963年制成全长10m左右的连续溅镀装置。1966年由IBM公司发表高周波溅镀技术,使得绝缘物之薄膜亦可制作。后经种种研究至今已达“不管基板的材料为何,皆可被覆盖任何材质之薄膜”目的境地。而若要制作一薄膜,至少需要有装置薄膜的基板及保持真空状况的道具(内部机构)。这种道具即为制作一空间,并使用真空泵将其内气体抽出的必要。Sputter溅镀定义:在一相对稳定真空状态下,阴阳极间产生辉光放电,极间气体分子被离子化而产生带电电荷,其中正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材,将其原子等粒子溅出,此溅出之原子则沉积于阳极之基板上而形成薄膜,此物理现象即称溅镀。
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