Izzivi uporabe in razvoja grafitnih komponent s prevleko iz TaC

V kontekstu rasti rezin iz silicijevega karbida (SiC) se tradicionalni grafitni materiali in kompoziti ogljik-ogljik, ki se uporabljajo v termičnem polju, soočajo s pomembnimi izzivi pri prenašanju kompleksne atmosfere pri 2300 °C (Si, SiC₂, Si₂C). Ti materiali nimajo samo kratke življenjske dobe, saj zahtevajo zamenjavo različnih delov po enem do desetih ciklih peči, ampak tudi doživljajo sublimacijo in izhlapevanje pri visokih temperaturah. To lahko povzroči nastanek ogljikovih vključkov in drugih kristalnih napak. Da bi zagotovili visoko kakovost in stabilno rast polprevodniških kristalov ob upoštevanju stroškov industrijske proizvodnje, je bistvenega pomena, da na grafitnih komponentah pripravimo keramične prevleke, odporne na ultra visoke temperature in korozijo. Ti premazi podaljšajo življenjsko dobo grafitnih delov, zavirajo migracijo nečistoč in povečajo čistost kristalov. Med epitaksialno rastjo SiC se grafitne baze, prevlečene s SiC, običajno uporabljajo za podporo in ogrevanje monokristalnih substratov. Vendar pa je življenjsko dobo teh baz še vedno treba izboljšati in zahtevajo redno čiščenje, da odstranimo usedline SiC z vmesnikov. Za primerjavo, tantalKarbidne (TaC) prevlekenudijo vrhunsko odpornost proti korozivnim atmosferam in visokim temperaturam, zaradi česar so ključna tehnologija za doseganje optimalne rasti kristalov SiC.

S tališčem 3880 °C,TaCima visoko mehansko trdnost, trdoto in odpornost na toplotne udarce. Ohranja odlično kemično inertnost in toplotno stabilnost v pogojih visoke temperature, ki vključujejo hlape, ki vsebujejo amoniak, vodik in silicij. Grafitni (ogljik-ogljični kompozit) materiali, prevlečeni zTaCso zelo obetavne kot zamenjava za tradicionalne komponente iz grafita visoke čistosti, prevlečene s pBN in SiC. Poleg tega na vesoljskem področjuTaCima velik potencial za uporabo kot prevleka, odporna na visokotemperaturno oksidacijo in ablacijo, ki ponuja široke možnosti uporabe. Vendar pa doseči gosto, enakomerno in brez luščenjaTaC prevlekana grafitnih površinah in spodbujanje njegove industrijske proizvodnje predstavljata več izzivov. Razumevanje zaščitnih mehanizmov prevleke, inovativni proizvodni procesi in tekmovanje z vrhunskimi mednarodnimi standardi so ključnega pomena za rast in epitaksialni razvoj polprevodnikov tretje generacije.

Za zaključek sta razvoj in uporaba grafitnih komponent, prevlečenih s TaC, ključnega pomena za napredek tehnologije rasti rezin SiC. Obravnavanje izzivov vTaC prevlekapriprava in industrializacija bosta ključni za zagotavljanje visokokakovostne rasti kristalov polprevodnikov in razširitev uporabeTaC premaziv različnih aplikacijah pri visokih temperaturah.

1. Uporaba grafitnih komponent s prevleko iz TaC

(1) Lonček, držalo za kristale in pretočna cevPVT rast monokristalov SiC in AlN

Med metodo fizičnega prenosa hlapov (PVT) za pripravo SiC je zarodni kristal postavljen v razmeroma nizkotemperaturno območje, medtem ko je SiC surovina v visokotemperaturno območje (nad 2400 °C). Surovina se razgradi, da nastanejo plinaste vrste (SiXCy), ki se prevažajo iz visokotemperaturnega območja v nizkotemperaturno območje, kjer se nahaja zarodni kristal. Ta proces, ki vključuje nukleacijo in rast za tvorbo posameznih kristalov, zahteva materiale s toplotnim poljem, kot so lončki, pretočni obroči in nosilci začetnih kristalov, ki so odporni na visoke temperature in ne onesnažujejo surovin in kristalov SiC. Podobne zahteve obstajajo za rast monokristalov AlN, kjer morajo grelni elementi biti odporni proti koroziji s hlapi Al in N2 ter imeti visoko evtektično temperaturo, da skrajšajo cikel priprave kristalov.

Študije so pokazale, da uporabaTaC prevlečeni grafitni materialiv toplotnem polju za pripravo SiC in AlN povzroči čistejše kristale z manj nečistočami ogljika, kisika in dušika. Napake na robovih so zmanjšane, upornost v različnih regijah pa je znatno zmanjšana, skupaj z gostoto mikropor in jedkanih jamic, kar močno izboljša kakovost kristala. Poleg tega jeTaClonček kaže zanemarljivo izgubo teže in brez poškodb, kar omogoča ponovno uporabo (z življenjsko dobo do 200 ur), kar povečuje trajnost in učinkovitost priprave monokristala.

(2 ) Grelec pri rasti epitaksialne plasti MOCVD GaN

MOCVD GaN rast vključuje uporabo tehnologije kemičnega naparjevanja za epitaksialno rast tankih filmov. Zaradi natančnosti in enakomernosti temperature komore je grelec ključnega pomena. Podlago mora dosledno in enakomerno segrevati v daljših obdobjih in ohranjati stabilnost pri visokih temperaturah pod jedkimi plini.

Za izboljšanje učinkovitosti in možnosti recikliranja grelnika sistema MOCVD GaN,TaC prevlečen grafitgrelniki so bili uspešno uvedeni. V primerjavi s tradicionalnimi grelniki s prevlekami pBN kažejo grelniki TaC primerljivo zmogljivost v kristalni strukturi, enakomernosti debeline, notranjih napakah, dopiranju nečistoč in stopnjah kontaminacije. Nizka upornost in površinska emisivnostTaC prevlekapovečati učinkovitost in enakomernost grelnika, zmanjšati porabo energije in odvajanje toplote. Nastavljiva poroznost prevleke dodatno izboljša sevalne lastnosti grelnika in podaljša njegovo življenjsko dobo, karTaC prevlečen grafitgrelniki odlična izbira za rastne sisteme MOCVD GaN.

Slika 2. (a) Shematski diagram aparata MOCVD za epitaksialno rast GaN

(b) Oblikovan grafitni grelnik s prevleko iz TaC, nameščen v nastavitvi MOCVD, razen podnožja in nosilcev (vložek prikazuje podlago in nosilce med segrevanjem)

(c)TaC prevlečen grafitni grelec po 17 ciklih epitaksialne rasti GaN

(3)Pladnji za epitaksialno prevleko (nosilci za rezine)

Nosilci rezin so kritične strukturne komponente pri pripravi in ​​epitaksialni rasti polprevodniških rezin tretje generacije, kot so SiC, AlN in GaN. Večina nosilcev za rezine je izdelanih iz grafita in prevlečenih s SiC za odpornost proti koroziji zaradi procesnih plinov, ki delujejo v temperaturnem območju od 1100 do 1600 °C. Protikorozijska sposobnost zaščitnega premaza je ključnega pomena za življenjsko dobo nosilca.

Raziskave kažejo, da je stopnja korozije TaC bistveno počasnejša od SiC v okoljih z visoko temperaturo amoniaka in vodika, zaradi česarTaC prevlečenpladnji, ki so bolj združljivi s postopki modrega GaN MOCVD in preprečujejo vnos nečistoč. Zmogljivost LED zrasla z uporaboTaC nosilcije primerljiv s tradicionalnimi SiC nosilci, sTaC prevlečenpladnji, ki dokazujejo vrhunsko življenjsko dobo.

Slika 3. Pladnji za rezine, uporabljeni v opremi MOCVD (Veeco P75) za epitaksialno rast GaN. Pladenj na levi je prevlečen s TaC, medtem ko je pladenj na desni prevlečen s SiC

2. Izzivi grafitnih komponent s prevleko iz TaC

oprijem:Razlika v koeficientu toplotnega raztezanja medTaCin ogljikovi materiali povzročijo nizko adhezijsko trdnost prevleke, zaradi česar je nagnjena k razpokanju, poroznosti in toplotni obremenitvi, kar lahko vodi do lomljenja prevleke v jedkih atmosferah in ponavljajočih se temperaturnih ciklih.

Čistost: TaC premazimora vzdrževati izjemno visoko čistost, da prepreči vnos nečistoč pri visokih temperaturah. Vzpostaviti je treba standarde za ocenjevanje prostega ogljika in notranjih nečistoč v premazu.

Stabilnost:Odpornost na visoke temperature nad 2300 °C in kemične atmosfere je kritična. Napake, kot so luknjice, razpoke in meje monokristalnih zrn, so dovzetne za infiltracijo korozivnega plina, kar vodi do okvare prevleke.

Odpornost proti oksidaciji:TaCzačne oksidirati pri temperaturah nad 500 °C in tvori Ta2O5. Stopnja oksidacije narašča s temperaturo in koncentracijo kisika, začenši od meja zrn in majhnih zrn, kar vodi do znatne degradacije prevleke in morebitnega lomljenja.

Enakomernost in hrapavost: Nekonsistentna porazdelitev premaza lahko povzroči lokalizirano toplotno obremenitev, kar poveča tveganje za razpoke in lomljenje. Površinska hrapavost vpliva na interakcije z zunanjim okoljem, pri čemer večja hrapavost povzroči povečano trenje in neenakomerna toplotna polja.

Velikost zrn:Enakomerna velikost zrn poveča stabilnost premaza, medtem ko so manjša zrna nagnjena k oksidaciji in koroziji, kar vodi do povečane poroznosti in zmanjšane zaščite. Večja zrna lahko povzročijo lomljenje zaradi toplotne obremenitve.

3. Zaključek in obeti

Grafitne komponente, prevlečene s TaC, imajo veliko povpraševanje na trgu in široke možnosti uporabe. Glavna produkcijaTaC premazise trenutno opira na komponente CVD TaC, vendar visoki stroški in omejena učinkovitost nalaganja opreme CVD še niso nadomestili tradicionalnih grafitnih materialov, prevlečenih s SiC. Metode sintranja lahko učinkovito zmanjšajo stroške surovin in se prilagodijo kompleksnim oblikam grafita, s čimer izpolnjujejo različne potrebe uporabe. Podjetja, kot so AFTech, CGT Carbon GmbH in Toyo Tanso, so zrelaTaC prevlekaprocesov in prevladujejo na trgu.

Na Kitajskem je razvojTaC prevlečene grafitne komponenteje še vedno v fazi eksperimentiranja in zgodnje industrializacije. Za napredek v industriji, optimizacijo trenutnih metod priprave, raziskovanje novih visokokakovostnih postopkov nanašanja TaC in razumevanjeTaC prevlekazaščitni mehanizmi in načini odpovedi so bistveni. Širi seUporaba TaC premazovod raziskovalnih ustanov in podjetij zahteva stalne inovacije. Z rastjo domačega trga polprevodnikov tretje generacije se bo povečalo povpraševanje po visoko zmogljivih prevlekah, zaradi česar bodo domače alternative postale prihodnji industrijski trend.**