Provocările de aplicare și dezvoltare ale componentelor din grafit acoperit cu TaC

În contextul creșterii plachetelor cu carbură de siliciu (SiC), materialele tradiționale din grafit și compozitele carbon-carbon utilizate în domeniul termic se confruntă cu provocări semnificative în a rezista atmosferei complexe la 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Aceste materiale nu numai că au o durată de viață scurtă, necesitând înlocuirea diferitelor părți după unul până la zece cicluri de cuptor, dar experimentează și sublimare și volatilizare la temperaturi ridicate. Acest lucru poate duce la formarea de incluziuni de carbon și alte defecte de cristal. Pentru a asigura o înaltă calitate și o creștere stabilă a cristalelor semiconductoare, luând în considerare costurile de producție industrială, este esențial să se pregătească acoperiri ceramice ultra-înalte și rezistente la coroziune pe componentele din grafit. Aceste acoperiri prelungesc durata de viață a pieselor din grafit, inhibă migrarea impurităților și sporesc puritatea cristalului. În timpul creșterii epitaxiale de SiC, bazele de grafit acoperite cu SiC sunt de obicei utilizate pentru a susține și a încălzi substraturile de un singur cristal. Cu toate acestea, durata de viață a acestor baze trebuie încă îmbunătățită și necesită curățare periodică pentru a îndepărta depunerile de SiC de pe interfețe. În comparație, TantalAcoperiri cu carbură (TaC).oferă o rezistență superioară la atmosfere corozive și la temperaturi ridicate, făcându-le o tehnologie crucială pentru obținerea creșterii optime a cristalelor de SiC.

Cu un punct de topire de 3880°C,TaCprezintă rezistență mecanică ridicată, duritate și rezistență la șocuri termice. Menține o inerție chimică excelentă și o stabilitate termică în condiții de temperatură ridicată care implică amoniac, hidrogen și vapori care conțin siliciu. Materiale din grafit (compozit carbon-carbon) acoperite cuTaCsunt foarte promițătoare ca înlocuitori pentru componentele tradiționale de grafit de înaltă puritate, acoperite cu pBN și acoperite cu SiC. În plus, în domeniul aerospațial,TaCare un potențial semnificativ de utilizare ca acoperire rezistentă la oxidare și la ablație la temperaturi înalte, oferind perspective largi de aplicare. Cu toate acestea, obținerea unui dens, uniform și fără peelingAcoperire TaCpe suprafețele de grafit și promovarea producției sale la scară industrială prezintă mai multe provocări. Înțelegerea mecanismelor de protecție ale acoperirii, inovarea proceselor de producție și concurența cu standardele internaționale de top sunt cruciale pentru creșterea și dezvoltarea epitaxială a semiconductorilor de a treia generație.

În concluzie, dezvoltarea și aplicarea componentelor de grafit acoperite cu TaC sunt critice pentru avansarea tehnologiei de creștere a plachetelor SiC. Abordarea provocărilor dinAcoperire TaCpregătirea și industrializarea vor fi cheie pentru asigurarea creșterii de înaltă calitate a cristalelor semiconductoare și extinderea utilizăriiAcoperiri TaCîn diverse aplicații la temperaturi ridicate.

1. Aplicarea componentelor din grafit acoperit cu TaC

(1) Crezetul, suportul de cristal de sămânță și tubul de curgere înăuntruCreșterea PVT a cristalelor unice de SiC și AlN

În timpul metodei de transport fizic al vaporilor (PVT) pentru prepararea SiC, cristalul de sămânță este plasat într-o zonă de temperatură relativ scăzută, în timp ce materia primă SiC este într-o zonă de temperatură înaltă (peste 2400°C). Materia primă se descompune pentru a produce specii gazoase (SiXCy), care sunt transportate din zona de temperatură înaltă în zona de temperatură joasă în care se află cristalul sămânță. Acest proces, care include nuclearea și creșterea pentru a forma cristale unice, necesită materiale de câmp termic, cum ar fi creuzetele, inelele de curgere și suporturile de cristale de semințe care sunt rezistente la temperaturi ridicate și nu contaminează materia primă și cristalele de SiC. Există cerințe similare pentru creșterea monocristalului de AlN, unde elementele de încălzire trebuie să reziste la vaporii de Al și la coroziunea N2 și să aibă o temperatură eutectică ridicată pentru a scurta ciclul de preparare a cristalului.

Studiile au arătat că utilizareaMateriale de grafit acoperite cu TaCîn câmpul termic pentru prepararea SiC și AlN rezultă cristale mai curate, cu mai puține impurități de carbon, oxigen și azot. Defectele marginilor sunt reduse la minimum, iar rezistivitatea în diferite regiuni este redusă semnificativ, împreună cu densitățile microporilor și a gropii, îmbunătățind considerabil calitatea cristalului. Mai mult, celTaCcreuzetul prezintă o pierdere neglijabilă în greutate și nicio deteriorare, permițând reutilizarea (cu o durată de viață de până la 200 de ore), sporind sustenabilitatea și eficiența preparării cu un singur cristal.

(2 ) Încălzitorul în MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

Creșterea MOCVD GaN implică utilizarea tehnologiei de depunere chimică în vapori pentru a crește epitaxial pelicule subțiri. Precizia și uniformitatea temperaturii camerei fac din încălzitor o componentă crucială. Trebuie să încălzească constant și uniform substratul pe perioade lungi și să mențină stabilitatea la temperaturi ridicate sub gaze corozive.

Pentru a îmbunătăți performanța și reciclabilitatea sistemului de încălzire MOCVD GaN,Grafit acoperit cu TaCîncălzitoarele au fost introduse cu succes. În comparație cu încălzitoarele tradiționale cu acoperiri pBN, încălzitoarele TaC prezintă performanțe comparabile în structura cristalului, uniformitatea grosimii, defecte intrinseci, dopaje de impurități și niveluri de contaminare. Rezistivitatea scăzută și emisivitatea de suprafață aAcoperire TaCsporește eficiența și uniformitatea încălzitorului, reducând consumul de energie și disiparea căldurii. Porozitatea reglabilă a acoperirii îmbunătățește și mai mult caracteristicile de radiație ale încălzitorului și prelungește durata de viață a acestuia, făcândGrafit acoperit cu TaCîncălzitoarele o alegere superioară pentru sistemele de creștere MOCVD GaN.

Figura 2. (a) Diagrama schematică a aparatului MOCVD pentru creșterea epitaxială GaN

(b) Încălzitor format din grafit acoperit cu TaC instalat în configurația MOCVD, excluzând baza și suporturile (inserția arată baza și suporturile în timpul încălzirii)

(c)Încălzitor de grafit acoperit cu TaC după 17 cicluri de creștere epitaxială GaN

(3)Tăvi de acoperire epitaxiale (suporturi pentru napolitane)

Purtătorii de placă sunt componente structurale critice în pregătirea și creșterea epitaxială a plăcilor de semiconductor de a treia generație, cum ar fi SiC, AlN și GaN. Majoritatea suporturilor de napolitană sunt fabricate din grafit și acoperite cu SiC pentru a rezista la coroziune de la gazele de proces, funcționând într-un interval de temperatură de la 1100 la 1600°C. Capacitatea anticorozivă a stratului de protecție este crucială pentru durata de viață a suportului.

Cercetările indică faptul că rata de coroziune a TaC este semnificativ mai lentă decât SiC în medii cu amoniac și hidrogen la temperatură înaltă, ceea ce faceacoperit cu TaCtăvile sunt mai compatibile cu procesele Blue GaN MOCVD și împiedică introducerea de impurități. Performanța LED-ului crescută folosindPurtători TaCeste comparabil cu purtătorii tradiționali SiC, cuacoperit cu TaCtăvi care demonstrează o durată de viață superioară.

Figura 3. Tavi pentru napolitane utilizate în echipamentul MOCVD (Veeco P75) pentru creșterea epitaxială GaN. Tava din stânga este acoperită cu TaC, în timp ce tava din dreapta este acoperită cu SiC

2. Provocări ale componentelor din grafit acoperit cu TaC

Adeziune:Diferenta coeficientului de dilatare termica intreTaCși materialele de carbon au ca rezultat o rezistență scăzută de aderență a acoperirii, făcându-l predispus la fisurare, porozitate și stres termic, ceea ce poate duce la spalarea acoperirii în atmosfere corozive și cicluri repetate de temperatură.

Puritate: Acoperiri TaCtrebuie să mențină puritatea ultra-înaltă pentru a evita introducerea de impurități la temperaturi ridicate. Trebuie stabilite standarde pentru evaluarea carbonului liber și a impurităților intrinseci din acoperire.

Stabilitate:Rezistența la temperaturi ridicate peste 2300°C și la atmosfere chimice este critică. Defectele, cum ar fi găurile, fisurile și limitele granulelor monocristaline sunt susceptibile la infiltrarea gazelor corozive, ceea ce duce la defectarea acoperirii.

Rezistenta la oxidare:TaCîncepe să se oxideze la temperaturi peste 500°C, formând Ta2O5. Viteza de oxidare crește odată cu temperatura și concentrația de oxigen, pornind de la granițele de granule și boabele mici, ducând la degradarea semnificativă a stratului și eventuala spalație.

Omogenitate și rugozitate: Distribuția inconsecventă a stratului poate provoca stres termic localizat, crescând riscul de fisurare și spalare. Rugozitatea suprafeței afectează interacțiunile cu mediul extern, rugozitatea mai mare ducând la frecare crescută și câmpuri termice neuniforme.

Marimea unui bob:Dimensiunea uniformă a granulelor îmbunătățește stabilitatea acoperirii, în timp ce boabele mai mici sunt predispuse la oxidare și coroziune, ceea ce duce la o porozitate crescută și o protecție redusă. Boabele mai mari pot provoca spalație indusă de stres termic.

3. Concluzie și perspective

Componentele din grafit acoperite cu TaC au o cerere semnificativă pe piață și perspective largi de aplicare. Producția principală aAcoperiri TaCîn prezent se bazează pe componente CVD TaC, dar costul ridicat și eficiența limitată de depunere a echipamentelor CVD nu au înlocuit încă materialele tradiționale de grafit acoperite cu SiC. Metodele de sinterizare pot reduce în mod eficient costurile materiilor prime și pot adapta forme complexe de grafit, satisfacând diverse nevoi de aplicare. Companii precum AFTech, CGT Carbon GmbH și Toyo Tanso sunt matureAcoperire TaCprocesează și domină piața.

În China, dezvoltareaComponente din grafit acoperite cu TaCse află încă în fazele sale experimentale și timpurii de industrializare. Pentru a promova industria, optimizarea metodelor actuale de preparare, explorarea de noi procese de acoperire cu TaC de înaltă calitate și înțelegereaAcoperire TaCmecanismele de protecție și modurile de defecțiune sunt esențiale. ExtindereAplicații de acoperire TaCnecesită inovare continuă din partea instituțiilor de cercetare și a companiilor. Pe măsură ce piața internă de semiconductori de a treia generație crește, cererea de acoperiri de înaltă performanță va crește, transformând alternativele interne în tendința viitoare a industriei.**