Wyzwania związane z zastosowaniem i rozwojem komponentów grafitowych pokrytych TaC

W kontekście wzrostu płytek z węglika krzemu (SiC), tradycyjne materiały grafitowe i kompozyty węgiel-węgiel stosowane w polu termicznym stoją przed poważnymi wyzwaniami w zakresie wytrzymania złożonej atmosfery w temperaturze 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Materiały te nie tylko mają krótką żywotność, wymagającą wymiany różnych części po jednym do dziesięciu cyklach pieca, ale także ulegają sublimacji i ulatnianiu się w wysokich temperaturach. Może to prowadzić do powstawania wtrąceń węglowych i innych defektów krystalicznych. Aby zapewnić wysoką jakość i stabilny wzrost kryształów półprzewodników, biorąc pod uwagę koszty produkcji przemysłowej, istotne jest przygotowanie powłok ceramicznych odpornych na ultrawysoką temperaturę i korozję na elementach grafitowych. Powłoki te wydłużają żywotność części grafitowych, hamują migrację zanieczyszczeń i zwiększają czystość kryształów. Podczas wzrostu epitaksjalnego SiC, podstawy grafitowe pokryte SiC są zwykle używane do podtrzymywania i podgrzewania podłoży monokrystalicznych. Jednakże żywotność tych baz nadal wymaga poprawy i wymagają one okresowego czyszczenia w celu usunięcia osadów SiC z powierzchni stykowych. Dla porównania tantalPowłoki węglikowe (TaC).zapewniają doskonałą odporność na korozyjną atmosferę i wysokie temperatury, co czyni je kluczową technologią dla osiągnięcia optymalnego wzrostu kryształów SiC.

O temperaturze topnienia 3880°C,TaCwykazuje wysoką wytrzymałość mechaniczną, twardość i odporność na szok termiczny. Zachowuje doskonałą obojętność chemiczną i stabilność termiczną w warunkach wysokiej temperatury z udziałem amoniaku, wodoru i oparów zawierających krzem. Materiały grafitowe (kompozyt węgiel-węgiel) powlekaneTaCsą bardzo obiecujące jako zamienniki tradycyjnego grafitu o wysokiej czystości, komponentów pokrytych pBN i SiC. Ponadto w dziedzinie lotnictwa i kosmonautykiTaCma znaczny potencjał zastosowania jako powłoka odporna na utlenianie i ablację w wysokich temperaturach, oferując szerokie perspektywy zastosowań. Jednak osiągnięcie gęstego, jednolitego i niełuszczącego się koloruPowłoka TaCna powierzchniach grafitowych i promowanie jego produkcji na skalę przemysłową wiąże się z kilkoma wyzwaniami. Zrozumienie mechanizmów ochronnych powłoki, innowacyjne procesy produkcyjne i konkurowanie z najwyższymi międzynarodowymi standardami mają kluczowe znaczenie dla wzrostu i rozwoju epitaksjalnego półprzewodników trzeciej generacji.

Podsumowując, rozwój i zastosowanie komponentów grafitowych pokrytych TaC ma kluczowe znaczenie dla rozwoju technologii wzrostu płytek SiC. Sprostanie wyzwaniom wPowłoka TaCprzygotowanie i industrializacja będą miały kluczowe znaczenie dla zapewnienia wysokiej jakości wzrostu kryształów półprzewodników i rozszerzenia ich zastosowaniaPowłoki TaCw różnych zastosowaniach wysokotemperaturowych.

1. Zastosowanie elementów grafitowych pokrytych TaC

(1) Tygiel, uchwyt kryształów zaszczepiających i rurka przepływowaWzrost PVT monokryształów SiC i AlN

Podczas metody fizycznego transportu pary (PVT) do przygotowania SiC kryształ zaszczepiający umieszcza się w strefie stosunkowo niskiej temperatury, podczas gdy surowiec SiC znajduje się w strefie wysokiej temperatury (powyżej 2400°C). Surowiec rozkłada się, tworząc formy gazowe (SiXCy), które są transportowane ze strefy wysokiej temperatury do strefy niskiej temperatury, w której znajduje się kryształ zaszczepiający. Proces ten, obejmujący zarodkowanie i wzrost w celu utworzenia monokryształów, wymaga materiałów pola cieplnego, takich jak tygle, pierścienie przepływowe i uchwyty kryształów zaszczepiających, które są odporne na wysokie temperatury i nie zanieczyszczają surowca i kryształów SiC. Podobne wymagania istnieją w przypadku wzrostu monokryształów AlN, gdzie elementy grzejne muszą być odporne na korozję w postaci oparów Al i N2 oraz mieć wysoką temperaturę eutektyczną, aby skrócić cykl przygotowania kryształów.

Badania wykazały, że za pomocąMateriały grafitowe pokryte TaCw polu cieplnym przygotowania SiC i AlN skutkuje czystszymi kryształami z mniejszą ilością zanieczyszczeń węglem, tlenem i azotem. Defekty krawędziowe są zminimalizowane, a rezystywność w różnych obszarach znacznie zmniejszona, wraz z gęstością mikroporów i wgłębień trawiących, co znacznie poprawia jakość kryształów. Ponadto,TaCtygiel wykazuje znikomy ubytek masy i brak uszkodzeń, co pozwala na ponowne użycie (przy żywotności do 200 godzin), zwiększając trwałość i efektywność przygotowania monokryształów.

(2) Grzejnik we wzroście warstwy epitaksjalnej MOCVD GaN

Wzrost GaN MOCVD polega na wykorzystaniu technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej do epitaksjalnego wzrostu cienkich warstw. Precyzja i równomierność temperatury w komorze sprawiają, że grzejnik jest kluczowym elementem. Musi równomiernie i równomiernie podgrzewać podłoże przez długi czas i utrzymywać stabilność w wysokich temperaturach w obecności gazów korozyjnych.

Aby poprawić wydajność i możliwość recyklingu grzejnika systemowego MOCVD GaN,Grafit pokryty TaCgrzejniki zostały pomyślnie wprowadzone. W porównaniu z tradycyjnymi grzejnikami z powłokami pBN, grzejniki TaC wykazują porównywalną wydajność w zakresie struktury kryształu, jednorodności grubości, wad wewnętrznych, domieszkowania zanieczyszczeń i poziomów zanieczyszczeń. Niska rezystywność i emisyjność powierzchniowaPowłoka TaCzwiększyć wydajność i równomierność nagrzewnicy, zmniejszając zużycie energii i rozpraszanie ciepła. Regulowana porowatość powłoki dodatkowo poprawia właściwości radiacyjne grzejnika i wydłuża jego żywotność, dzięki czemuGrafit pokryty TaCgrzejniki stanowią doskonały wybór dla systemów wzrostu MOCVD GaN.

Rysunek 2. (a) Schemat ideowy aparatu MOCVD do epitaksjalnego wzrostu GaN

(b) Grzejnik z formowanego grafitu powlekanego TaC zainstalowany w konfiguracji MOCVD, z wyłączeniem podstawy i podpórek (wstawka przedstawia podstawę i podpory podczas nagrzewania)

(C)Grzejnik grafitowy pokryty TaC po 17 cyklach wzrostu epitaksjalnego GaN

(3)Tace do powlekania epitaksjalnego (nośniki płytek)

Nośniki płytek są kluczowymi elementami konstrukcyjnymi w przygotowaniu i epitaksjalnym wzroście płytek półprzewodnikowych trzeciej generacji, takich jak SiC, AlN i GaN. Większość nośników płytek jest wykonana z grafitu i pokryta SiC, aby zapewnić odporność na korozję powodowaną przez gazy procesowe, pracując w zakresie temperatur od 1100 do 1600°C. Odporność antykorozyjna powłoki ochronnej ma kluczowe znaczenie dla żywotności nośnika.

Badania wskazują, że szybkość korozji TaC jest znacznie wolniejsza niż SiC w środowiskach amoniaku i wodoru o wysokiej temperaturze, co sprawia, żePokryty TaCtace bardziej kompatybilne z procesami Blue GaN MOCVD i zapobiegające wprowadzaniu zanieczyszczeń. Wydajność diod LED wzrosła przy użyciuPrzewoźnicy TaCjest porównywalny z tradycyjnymi nośnikami SiC, zPokryty TaCtace charakteryzujące się doskonałą żywotnością.

Rysunek 3. Tacki waflowe stosowane w sprzęcie MOCVD (Veeco P75) do wzrostu epitaksjalnego GaN. Taca po lewej stronie jest pokryta TaC, podczas gdy taca po prawej stronie jest pokryta SiC

2. Wyzwania związane z komponentami grafitowymi pokrytymi TaC

Przyczepność:Różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej pomiędzyTaCi materiały węglowe powodują niską przyczepność powłoki, przez co jest ona podatna na pękanie, porowatość i naprężenia termiczne, co może prowadzić do odpryskiwania powłoki w atmosferze korozyjnej i powtarzających się wahaniach temperatur.

Czystość: Powłoki TaCmusi utrzymywać bardzo wysoką czystość, aby uniknąć wprowadzenia zanieczyszczeń w wysokich temperaturach. Należy ustalić standardy oceny wolnego węgla i zanieczyszczeń wewnętrznych w powłoce.

Stabilność:Odporność na wysokie temperatury powyżej 2300°C i atmosferę chemiczną ma kluczowe znaczenie. Wady takie jak dziury, pęknięcia i granice ziaren monokryształu są podatne na infiltrację gazów korozyjnych, co prowadzi do uszkodzenia powłoki.

Odporność na utlenianie:TaCzaczyna się utleniać w temperaturach powyżej 500°C, tworząc Ta2O5. Szybkość utleniania wzrasta wraz z temperaturą i stężeniem tlenu, zaczynając od granic ziaren i małych ziaren, co prowadzi do znacznej degradacji powłoki i ostatecznej spalacji.

Jednorodność i chropowatość: Nierównomierny rozkład powłoki może powodować miejscowe naprężenia termiczne, zwiększając ryzyko pękania i odpryskiwania. Chropowatość powierzchni wpływa na interakcje ze środowiskiem zewnętrznym, przy czym większa chropowatość prowadzi do zwiększonego tarcia i nierównych pól termicznych.

Wielkość ziarna:Jednolita wielkość ziaren zwiększa stabilność powłoki, podczas gdy mniejsze ziarna są podatne na utlenianie i korozję, co prowadzi do zwiększonej porowatości i zmniejszonej ochrony. Większe ziarna mogą powodować spalację wywołaną naprężeniami termicznymi.

3. Wnioski i perspektywy

Komponenty z grafitu pokrytego TaC cieszą się dużym popytem na rynku i szerokimi perspektywami zastosowania. Główna produkcja tzwPowłoki TaCobecnie opiera się na komponentach CVD TaC, ale wysoki koszt i ograniczona wydajność osadzania sprzętu CVD nie zastąpiły jeszcze tradycyjnych materiałów grafitowych pokrytych SiC. Metody spiekania mogą skutecznie obniżyć koszty surowców i dostosować się do złożonych kształtów grafitu, spełniając różnorodne potrzeby zastosowań. Firmy takie jak AFTech, CGT Carbon GmbH i Toyo Tanso dojrzałyPowłoka TaCprocesów i zdominować rynek.

W Chinach rozwójElementy grafitowe pokryte TaCznajduje się wciąż w fazie eksperymentalnej i wczesnej industrializacji. Rozwój branży poprzez optymalizację obecnych metod przygotowania, badanie nowych, wysokiej jakości procesów powlekania TaC i zrozumieniePowłoka TaCniezbędne są mechanizmy zabezpieczające i tryby awaryjne. RozszerzanieZastosowania powłok TaCwymaga ciągłych innowacji ze strony instytucji badawczych i firm. Wraz z rozwojem krajowego rynku półprzewodników trzeciej generacji wzrośnie zapotrzebowanie na powłoki o wysokiej wydajności, co sprawi, że krajowe alternatywy staną się przyszłym trendem w branży.**