Проблеми застосування та розробки графітових компонентів із покриттям TaC

У контексті вирощування пластин з карбіду кремнію (SiC) традиційні графітові матеріали та вуглець-вуглецеві композити, що використовуються в тепловому полі, стикаються зі значними труднощами, витримуючи складну атмосферу при 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Ці матеріали не тільки мають короткий термін служби, вимагаючи заміни різних частин після одного-десяти циклів печі, але також зазнають сублімації та випаровування при високих температурах. Це може призвести до утворення вуглецевих включень та інших кристалічних дефектів. Для забезпечення високої якості та стабільного росту напівпровідникових кристалів з урахуванням витрат на промислове виробництво необхідно створювати надвисокотемпературні та корозійно-стійкі керамічні покриття на графітових компонентах. Ці покриття подовжують термін служби графітових деталей, перешкоджають міграції домішок і підвищують чистоту кристалів. Під час епітаксійного росту SiC графітові основи, покриті SiC, зазвичай використовуються для підтримки та нагрівання монокристалічних підкладок. Однак термін служби цих основ все ще потребує покращення, і вони потребують періодичного очищення для видалення відкладень SiC з інтерфейсів. Для порівняння, ТанталКарбідні (TaC) покриттязабезпечують чудову стійкість до корозійної атмосфери та високих температур, що робить їх важливою технологією для досягнення оптимального росту кристалів SiC.

З температурою плавлення 3880°C,TaCмає високу механічну міцність, твердість і стійкість до термічних ударів. Він зберігає відмінну хімічну інертність і термічну стабільність в умовах високих температур, що включають аміак, водень і кремнійвмісні пари. Графіт (вуглець-вуглецевий композит) матеріали з покриттямTaCє дуже перспективними як заміна традиційних компонентів з графіту високої чистоти, покритих pBN та SiC. Крім того, в аерокосмічній сфері,TaCмає значний потенціал для використання як покриття, стійке до високотемпературного окислення та абляції, що пропонує широкі перспективи застосування. Однак досягаючи щільності, рівномірності і не відшаровуєтьсяПокриття TaCна графітових поверхнях і сприяння його промисловому виробництву становить кілька проблем. Розуміння захисних механізмів покриття, інноваційні виробничі процеси та конкуренція з найвищими міжнародними стандартами мають вирішальне значення для росту та епітаксійного розвитку напівпровідників третього покоління.

Підсумовуючи, розробка та застосування графітових компонентів із покриттям TaC мають вирішальне значення для вдосконалення технології вирощування пластин SiC. Вирішуючи проблеми вПокриття TaCПідготовка та індустріалізація будуть ключовими для забезпечення високоякісного росту кристалів напівпровідника та розширення використанняПокриття TaCв різних високотемпературних застосуваннях.

1. Застосування графітових компонентів із покриттям TaC

(1) Тигель, тримач затравкових кристалів і витратомірна трубкаPVT вирощування монокристалів SiC та AlN

Під час методу фізичного переносу парів (PVT) для приготування SiC затравковий кристал поміщають у відносно низькотемпературну зону, тоді як вихідний матеріал SiC знаходиться у високотемпературній зоні (вище 2400°C). Сировина розкладається з утворенням газоподібних речовин (SiXCy), які транспортуються з високотемпературної зони в низькотемпературну зону, де знаходиться затравковий кристал. Цей процес, який включає зародження та зростання з утворенням монокристалів, потребує матеріалів теплового поля, таких як тиглі, потокові кільця та тримачі затравкових кристалів, які є стійкими до високих температур і не забруднюють вихідний матеріал і кристали SiC. Подібні вимоги існують для вирощування монокристалів AlN, де нагрівальні елементи повинні протистояти корозії парами Al і N2 і мати високу евтектичну температуру, щоб скоротити цикл підготовки кристалів.

Дослідження показали, що використанняГрафітові матеріали з покриттям TaCу тепловому полі для приготування SiC та AlN призводить до отримання чистіших кристалів з меншою кількістю домішок вуглецю, кисню та азоту. Крайові дефекти зведені до мінімуму, а питомий опір у різних областях значно зменшено разом із щільністю мікропор і ямок травлення, що значно покращує якість кристала. Крім того,TaCтигель демонструє незначну втрату ваги та відсутність пошкоджень, що дозволяє використовувати його повторно (з терміном служби до 200 годин), підвищуючи стабільність та ефективність підготовки монокристалів.

(2 ) Нагрівач у MOCVD GaN епітаксійного шару зростання

Для вирощування тонких плівок епітаксіальним методом MOCVD GaN використовується технологія хімічного осадження з парової фази. Точність і рівномірність температури в камері роблять нагрівач ключовим компонентом. Він повинен постійно і рівномірно нагрівати підкладку протягом тривалих періодів і зберігати стабільність при високих температурах під впливом агресивних газів.

Щоб покращити продуктивність і можливість повторної переробки системного нагрівача MOCVD GaN,Графіт з покриттям TaCобігрівачі були успішно впроваджені. Порівняно з традиційними нагрівачами з покриттями pBN, нагрівачі TaC демонструють порівнянну продуктивність щодо кристалічної структури, однорідності товщини, внутрішніх дефектів, легування домішками та рівнів забруднення. Низький питомий опір і поверхнева випромінювальна здатністьПокриття TaCпідвищення ефективності та рівномірності нагрівача, зменшення споживання енергії та розсіювання тепла. Регульована пористість покриття додатково покращує характеристики випромінювання обігрівача та продовжує термін його служби, роблячиГрафіт з покриттям TaCнагрівачі є чудовим вибором для систем росту MOCVD GaN.

Рисунок 2. (a) Схематична діаграма апарату MOCVD для епітаксійного росту GaN

(b) Формований графітовий нагрівач із покриттям TaC, встановлений у установці MOCVD, за винятком основи та опор (на вставці показано основу та опори під час нагрівання)

(c)Графітовий нагрівач із покриттям TaC після 17 циклів епітаксійного росту GaN

(3)Лотки для епітаксійного покриття (носії для пластин)

Вафельні носії є критичними структурними компонентами в підготовці та епітаксійному вирощуванні напівпровідникових пластин третього покоління, таких як SiC, AlN і GaN. Більшість пластин виготовлені з графіту та покриті SiC, щоб протистояти корозії від технологічних газів, які працюють у діапазоні температур від 1100 до 1600°C. Антикорозійна здатність захисного покриття має вирішальне значення для терміну служби носія.

Дослідження показують, що швидкість корозії TaC значно нижча, ніж SiC у високотемпературному середовищі аміаку та водню, що робитьПокриття TaCлотки більш сумісні з процесами Blue GaN MOCVD і запобігають введенню домішок. Продуктивність світлодіодів виросла за допомогоюНосії TaCможна порівняти з традиційними носіями SiC, зПокриття TaCлотки, що демонструють чудовий термін служби.

Рисунок 3. Вафельні лотки, що використовуються в обладнанні MOCVD (Veeco P75) для епітаксійного росту GaN. Лоток ліворуч покритий TaC, тоді як лоток праворуч покритий SiC

2. Проблеми з графітовими компонентами з покриттям TaC

Адгезія:Різниця між коефіцієнтом теплового розширенняTaCі вуглецеві матеріали призводять до низької адгезійної міцності покриття, що робить його схильним до розтріскування, пористості та термічної напруги, що може призвести до розколювання покриття в корозійній атмосфері та повторюваних температурних циклів.

Чистота: Покриття TaCмає підтримувати надвисоку чистоту, щоб уникнути введення домішок при високих температурах. Необхідно встановити стандарти для оцінки вільного вуглецю та внутрішніх домішок у покритті.

Стабільність:Стійкість до високих температур вище 2300°C і хімічних атмосфер є критичною. Такі дефекти, як точкові отвори, тріщини та межі монокристалічних зерен, сприйнятливі до проникнення корозійного газу, що призводить до пошкодження покриття.

Стійкість до окислення:TaCпочинає окислюватися при температурі вище 500 °C, утворюючи Ta2O5. Швидкість окислення зростає з температурою та концентрацією кисню, починаючи від меж зерен і дрібних зерен, що призводить до значної деградації покриття та можливого розколювання.

Рівномірність і шорсткість: нерівномірний розподіл покриття може спричинити локалізовану термічну напругу, збільшуючи ризик розтріскування та розколювання. Шорсткість поверхні впливає на взаємодію із зовнішнім середовищем, причому вища шорсткість призводить до збільшення тертя та нерівномірних теплових полів.

Розмір зерна:Рівномірний розмір зерна підвищує стабільність покриття, тоді як менші зерна схильні до окислення та корозії, що призводить до збільшення пористості та зниження захисту. Великі зерна можуть спричинити розколювання внаслідок термічної напруги.

3. Висновок і прогноз

Графітові компоненти з покриттям TaC мають значний ринковий попит і широкі перспективи застосування. Основне виробництвоПокриття TaCв даний час базується на компонентах CVD TaC, але висока вартість і обмежена ефективність осадження обладнання CVD ще не замінили традиційні графітові матеріали з покриттям SiC. Методи спікання можуть ефективно зменшити витрати на сировину та адаптувати складні форми графіту, задовольняючи різноманітні потреби застосування. Такі компанії, як AFTech, CGT Carbon GmbH і Toyo Tanso, стали зрілимиПокриття TaCпроцесів і домінувати на ринку.

У Китаї розвитокГрафітові компоненти з покриттям TaCвсе ще перебуває на стадії експерименту та ранньої індустріалізації. Для просування галузі, оптимізації поточних методів підготовки, вивчення нових високоякісних процесів покриття TaC та розумінняПокриття TaCмеханізми захисту та режими відмови є важливими. РозширюєтьсяЗастосування покриття TaCвимагає постійних інновацій від дослідницьких установ і компаній. У міру зростання внутрішнього ринку напівпровідників третього покоління попит на високоефективні покриття зросте, що зробить вітчизняні альтернативи майбутньою галузевою тенденцією.**