Výzvy aplikácie a vývoja grafitových komponentov potiahnutých TaC

V súvislosti s rastom doštičiek z karbidu kremíka (SiC) čelia tradičné grafitové materiály a kompozity uhlík-uhlík používané v tepelnom poli významným výzvam pri odolávaní komplexnej atmosfére pri 2300 °C (Si, SiC2, Si2C). Tieto materiály majú nielen krátku životnosť, čo si vyžaduje výmenu rôznych častí po jednom až desiatich cykloch pece, ale tiež dochádza k sublimácii a prchavosti pri vysokých teplotách. To môže viesť k tvorbe uhlíkových inklúzií a iných kryštálových defektov. Aby sa zabezpečila vysoká kvalita a stabilný rast polovodičových kryštálov pri zohľadnení nákladov na priemyselnú výrobu, je nevyhnutné pripraviť keramické povlaky odolné voči ultravysokým teplotám a korózii na grafitových komponentoch. Tieto povlaky predlžujú životnosť grafitových častí, inhibujú migráciu nečistôt a zlepšujú kryštálovú čistotu. Počas epitaxného rastu SiC sa grafitové základy potiahnuté SiC zvyčajne používajú na podporu a zahrievanie monokryštálových substrátov. Životnosť týchto báz však stále potrebuje zlepšenie a vyžadujú pravidelné čistenie na odstránenie usadenín SiC z rozhraní. V porovnaní s tantalomKarbidové (TaC) povlakyponúkajú vynikajúcu odolnosť voči korozívnej atmosfére a vysokým teplotám, čo z nich robí kľúčovú technológiu na dosiahnutie optimálneho rastu kryštálov SiC.

S teplotou topenia 3880 °C,TaCvykazuje vysokú mechanickú pevnosť, tvrdosť a odolnosť voči tepelným šokom. Zachováva si vynikajúcu chemickú inertnosť a tepelnú stabilitu pri vysokoteplotných podmienkach zahŕňajúcich amoniak, vodík a pary obsahujúce kremík. Grafitové (uhlík-uhlíkový kompozit) potiahnuté materiályTaCsú veľmi sľubné ako náhrada za tradičný vysoko čistý grafit, komponenty potiahnuté pBN a SiC. Okrem toho v oblasti letectva,TaCmá významný potenciál na použitie ako povlak odolný voči vysokoteplotnej oxidácii a ablácii, ktorý ponúka široké možnosti použitia. Dosiahnite však hustú, jednotnú a nelúpajúcu sa vrstvuTaC povlakna grafitových povrchoch a podpora jeho priemyselnej výroby predstavuje niekoľko výziev. Pochopenie ochranných mechanizmov povlaku, inovácia výrobných procesov a súťaž s najvyššími medzinárodnými štandardmi sú kľúčové pre rast a epitaxný vývoj polovodičov tretej generácie.

Na záver, vývoj a aplikácia grafitových komponentov potiahnutých TaC sú rozhodujúce pre pokrok v technológii rastu plátkov SiC. Riešenie výziev vTaC povlakpríprava a industrializácia budú kľúčom k zabezpečeniu vysokokvalitného rastu polovodičových kryštálov a rozšíreniu používaniaTaC povlakyv rôznych vysokoteplotných aplikáciách.

1. Aplikácia grafitových komponentov potiahnutých TaC

(1) Téglik, držiak očkovacích kryštálov a prietoková trubica dovnútraPVT Rast monokryštálov SiC a AlN

Počas metódy fyzikálneho transportu pár (PVT) na prípravu SiC je zárodočný kryštál umiestnený v zóne s relatívne nízkou teplotou, zatiaľ čo surovina SiC je v zóne s vysokou teplotou (nad 2400 °C). Surovina sa rozkladá za vzniku plynných látok (SiXCy), ktoré sú transportované z vysokoteplotnej zóny do nízkoteplotnej zóny, kde sa nachádza zárodočný kryštál. Tento proces, ktorý zahŕňa nukleáciu a rast na vytvorenie monokryštálov, vyžaduje materiály tepelného poľa, ako sú tégliky, prietokové krúžky a držiaky očkovacích kryštálov, ktoré sú odolné voči vysokým teplotám a nekontaminujú SiC surovinu a kryštály. Podobné požiadavky existujú pre rast monokryštálov AlN, kde vykurovacie články musia odolávať korózii Al a N2 a musia mať vysokú eutektickú teplotu, aby sa skrátil cyklus prípravy kryštálov.

Štúdie ukázali, že pomocouGrafitové materiály potiahnuté TaCv tepelnom poli na prípravu SiC a AlN vedie k čistejším kryštálom s menším množstvom uhlíkových, kyslíkových a dusíkových nečistôt. Okrajové defekty sú minimalizované a merný odpor v rôznych oblastiach je výrazne znížený, spolu s hustotou mikropórov a leptaných jamiek, čo výrazne zvyšuje kvalitu kryštálov. Okrem toho,TaCtéglik vykazuje zanedbateľnú stratu hmotnosti a žiadne poškodenie, čo umožňuje opätovné použitie (s životnosťou až 200 hodín), čím sa zvyšuje udržateľnosť a účinnosť prípravy monokryštálov.

(2 ) Ohrievač v MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

Rast MOCVD GaN zahŕňa použitie technológie chemického nanášania pár na epitaxný rast tenkých filmov. Presnosť a rovnomernosť teploty v komore robí z ohrievača rozhodujúcu súčasť. Musí dôsledne a rovnomerne zohrievať podklad po dlhú dobu a udržiavať stabilitu pri vysokých teplotách pod korozívnymi plynmi.

Na zlepšenie výkonu a recyklovateľnosti ohrievača systému MOCVD GaN,Grafit potiahnutý TaCohrievače boli úspešne zavedené. V porovnaní s tradičnými ohrievačmi s povlakmi pBN vykazujú ohrievače TaC porovnateľný výkon v kryštálovej štruktúre, rovnomernosti hrúbky, vnútorných defektoch, dopovaní nečistôt a úrovniach kontaminácie. Nízky odpor a povrchová emisivitaTaC povlakzvyšuje účinnosť a rovnomernosť ohrievača, znižuje spotrebu energie a rozptyl tepla. Nastaviteľná pórovitosť povlaku ďalej zlepšuje vyžarovacie charakteristiky ohrievača a predlžuje jeho životnosťGrafit potiahnutý TaCohrievače sú vynikajúcou voľbou pre rastové systémy MOCVD GaN.

Obrázok 2. (a) Schematický diagram prístroja MOCVD na epitaxný rast GaN

(b) Tvarovaný grafitový ohrievač potiahnutý TaC inštalovaný v zostave MOCVD, s výnimkou základne a podpier (vložený obrázok zobrazuje základňu a podpery počas zahrievania)

(c)Grafitový ohrievač potiahnutý TaC po 17 cykloch epitaxného rastu GaN

(3)Epitaxné podnosy (nosiče plátkov)

Nosiče doštičiek sú kritickými štrukturálnymi zložkami pri príprave a epitaxnom raste polovodičových doštičiek tretej generácie, ako sú SiC, AlN a GaN. Väčšina plátkových nosičov je vyrobená z grafitu a potiahnutá SiC, aby odolala korózii z procesných plynov, pri prevádzke v teplotnom rozsahu 1100 až 1600 °C. Antikorózna schopnosť ochranného náteru je rozhodujúca pre životnosť nosiča.

Výskum naznačuje, že rýchlosť korózie TaC je výrazne pomalšia ako rýchlosť korózie SiC v prostredí s vysokou teplotou amoniaku a vodíka, čopotiahnuté TaCtácky sú viac kompatibilné s modrými GaN MOCVD procesmi a zabraňujú vnášaniu nečistôt. Výkon LED pestovaný pomocouTaC nosičeje porovnateľný s tradičnými SiC nosičmi, spotiahnuté TaCpodnosy s vynikajúcou životnosťou.

Obrázok 3. Podnosy s plátkami používané v zariadení MOCVD (Veeco P75) na epitaxný rast GaN. Tácka vľavo je potiahnutá TaC, zatiaľ čo tácka vpravo je potiahnutá SiC

2. Výzvy v oblasti grafitových komponentov potiahnutých TaC

Priľnavosť:Rozdiel koeficientu tepelnej rozťažnosti medziTaCa uhlíkové materiály majú za následok nízku priľnavosť povlaku, čo ho robí náchylným na praskanie, pórovitosť a tepelné namáhanie, čo môže viesť k odlupovaniu povlaku v korozívnej atmosfére a opakovaným teplotným cyklom.

čistota: TaC povlakymusí udržiavať ultra vysokú čistotu, aby sa zabránilo vnášaniu nečistôt pri vysokých teplotách. Je potrebné stanoviť normy na hodnotenie voľného uhlíka a vnútorných nečistôt v povlaku.

Stabilita:Odolnosť voči vysokým teplotám nad 2300 °C a chemickej atmosfére je kritická. Defekty, ako sú dierky, praskliny a hranice zŕn monokryštálov, sú náchylné na infiltráciu korozívneho plynu, čo vedie k zlyhaniu povlaku.

Odolnosť proti oxidácii:TaCzačína oxidovať pri teplotách nad 500 °C, pričom vzniká Ta2O5. Rýchlosť oxidácie sa zvyšuje s teplotou a koncentráciou kyslíka, počnúc hranicami zŕn a malými zrnami, čo vedie k významnej degradácii povlaku a prípadnému odlupovaniu.

Rovnomernosť a drsnosť: Nekonzistentná distribúcia náteru môže spôsobiť lokálne tepelné namáhanie, čím sa zvyšuje riziko praskania a odlupovania. Drsnosť povrchu ovplyvňuje interakcie s vonkajším prostredím, pričom vyššia drsnosť vedie k zvýšenému treniu a nerovnomerným tepelným poliam.

Veľkosť zrna:Rovnomerná veľkosť zŕn zvyšuje stabilitu povlaku, zatiaľ čo menšie zrná sú náchylné na oxidáciu a koróziu, čo vedie k zvýšenej pórovitosti a zníženej ochrane. Väčšie zrná môžu spôsobiť odlupovanie spôsobené tepelným stresom.

3. Záver a výhľad

Grafitové komponenty potiahnuté TaC majú značný dopyt na trhu a široké možnosti použitia. Hlavná produkciaTaC povlakyv súčasnosti sa spolieha na komponenty CVD TaC, ale vysoké náklady a obmedzená účinnosť nanášania zariadení CVD ešte nenahradili tradičné grafitové materiály potiahnuté SiC. Metódy spekania môžu efektívne znížiť náklady na suroviny a prispôsobiť sa zložitým grafitovým tvarom, čím spĺňajú rôzne potreby aplikácií. Spoločnosti ako AFTech, CGT Carbon GmbH a Toyo Tanso sú vyspeléTaC povlakprocesy a ovládnuť trh.

V Číne rozvojGrafitové komponenty potiahnuté TaCje stále vo fáze experimentu a ranej industrializácie. Napredovať v tomto odvetví, optimalizovať súčasné metódy prípravy, skúmať nové vysokokvalitné procesy poťahovania TaC a porozumieťTaC povlakochranné mechanizmy a spôsoby zlyhania sú nevyhnutné. Rozširujúce saAplikácie povlakov TaCvyžaduje neustále inovácie od výskumných inštitúcií a spoločností. S rastom domáceho trhu s polovodičmi tretej generácie sa zvýši dopyt po vysokovýkonných povlakoch, čím sa domáce alternatívy stanú budúcim trendom v tomto odvetví.**