Aplikace a vývojové výzvy grafitových komponent s povlakem TaC

V souvislosti s růstem plátků karbidu křemíku (SiC) čelí tradiční grafitové materiály a kompozity uhlík-uhlík používané v tepelném poli značným problémům, pokud jde o odolnost v komplexní atmosféře při 2300 °C (Si, SiC2, Si2C). Tyto materiály mají nejen krátkou životnost a vyžadují výměnu různých částí po jednom až deseti cyklech pece, ale také dochází k sublimaci a těkání při vysokých teplotách. To může vést k tvorbě uhlíkových inkluzí a dalších krystalových defektů. Pro zajištění vysoké kvality a stabilního růstu polovodičových krystalů při zohlednění nákladů na průmyslovou výrobu je nezbytné připravit na grafitové komponenty keramické povlaky odolné proti ultravysokým teplotám a korozi. Tyto povlaky prodlužují životnost grafitových dílů, zabraňují migraci nečistot a zvyšují krystalickou čistotu. Během epitaxního růstu SiC se k podpoře a zahřívání monokrystalických substrátů obvykle používají grafitové báze potažené SiC. Životnost těchto bází však stále potřebuje zlepšení a vyžadují pravidelné čištění k odstranění usazenin SiC z rozhraní. Ve srovnání s tantalemKarbidové (TaC) povlakynabízejí vynikající odolnost vůči korozivním atmosférám a vysokým teplotám, což z nich činí klíčovou technologii pro dosažení optimálního růstu krystalů SiC.

S bodem tání 3880 °C,TaCvykazuje vysokou mechanickou pevnost, tvrdost a odolnost proti tepelným šokům. Zachovává si vynikající chemickou inertnost a tepelnou stabilitu za podmínek vysokých teplot zahrnujících amoniak, vodík a páry obsahující křemík. Materiály potažené grafitem (uhlík-uhlíkový kompozit).TaCjsou vysoce slibné jako náhrada tradičních vysoce čistých grafitových komponentů potažených pBN a SiC. Navíc v oblasti letectví a kosmonautikyTaCmá významný potenciál pro použití jako povlak odolný proti vysokoteplotní oxidaci a ablaci a nabízí široké možnosti použití. Nicméně, dosažení husté, jednotné a neloupanéTaC povlakna grafitové povrchy a podpora jeho průmyslové výroby představuje několik výzev. Pro růst a epitaxní vývoj polovodičů třetí generace je zásadní pochopení ochranných mechanismů povlaku, inovace výrobních procesů a konkurence s nejvyššími mezinárodními standardy.

Závěrem lze říci, že vývoj a aplikace grafitových komponent potažených TaC jsou rozhodující pro pokrok v technologii růstu destiček SiC. Řešení výzev vTaC povlakpříprava a industrializace budou klíčové pro zajištění vysoce kvalitního růstu polovodičových krystalů a rozšíření použitíTaC povlakyv různých vysokoteplotních aplikacích.

1. Aplikace grafitových komponent potažených TaC

(1) Kelímek, držák očkovacích krystalů a průtoková trubice dovnitřPVT Růst monokrystalů SiC a AlN

Během metody fyzikálního transportu páry (PVT) pro přípravu SiC je očkovací krystal umístěn v zóně s relativně nízkou teplotou, zatímco surovina SiC je ve vysokoteplotní zóně (nad 2400 °C). Surovina se rozkládá za vzniku plynných látek (SiXCy), které jsou transportovány z vysokoteplotní zóny do nízkoteplotní zóny, kde se nachází zárodečný krystal. Tento proces, který zahrnuje nukleaci a růst za účelem tvorby monokrystalů, vyžaduje materiály tepelného pole, jako jsou kelímky, průtokové prstence a držáky zárodečných krystalů, které jsou odolné vůči vysokým teplotám a nekontaminují SiC surovinu a krystaly. Podobné požadavky existují pro růst monokrystalů AlN, kde topné články musí odolávat korozi Al par a N2 a mít vysokou eutektickou teplotu, aby se zkrátil cyklus přípravy krystalu.

Studie ukázaly, že použitíGrafitové materiály potažené TaCv tepelném poli pro přípravu SiC a AlN vede k čistším krystalům s menším množstvím uhlíkových, kyslíkových a dusíkových nečistot. Okrajové defekty jsou minimalizovány a měrný odpor v různých oblastech je významně snížen, spolu s hustotou mikropórů a leptaných důlků, což výrazně zvyšuje kvalitu krystalu. Kromě toho,TaCkelímek vykazuje zanedbatelný úbytek hmotnosti a žádné poškození, což umožňuje opětovné použití (s životností až 200 hodin), což zvyšuje udržitelnost a účinnost přípravy monokrystalu.

(2) Ohřívač v MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

Růst MOCVD GaN zahrnuje použití technologie chemické depozice z par k epitaxnímu růstu tenkých filmů. Přesnost a rovnoměrnost teploty komory činí z ohřívače klíčovou součást. Musí konzistentně a rovnoměrně ohřívat podklad po dlouhou dobu a udržovat stabilitu při vysokých teplotách pod korozivními plyny.

Chcete-li zlepšit výkon a recyklovatelnost ohřívače systému MOCVD GaN,Grafit potažený TaCohřívače byly úspěšně zavedeny. Ve srovnání s tradičními ohřívači s povlaky pBN vykazují ohřívače TaC srovnatelný výkon v krystalové struktuře, rovnoměrnosti tloušťky, vnitřních defektech, dopování nečistot a úrovních kontaminace. Nízký měrný odpor a povrchová emisivitaTaC povlakzvýšit účinnost a jednotnost ohřívače, snížit spotřebu energie a rozptyl tepla. Nastavitelná pórovitost povlaku dále zlepšuje vyzařovací charakteristiky ohřívače a prodlužuje jeho životnostGrafit potažený TaCohřívače jsou vynikající volbou pro růstové systémy MOCVD GaN.

Obrázek 2. (a) Schéma zařízení MOCVD pro epitaxní růst GaN

(b) Tvarovaný grafitový ohřívač potažený TaC nainstalovaný v nastavení MOCVD, s výjimkou základny a podpěr (vložený obrázek zobrazuje základnu a podpěry během zahřívání)

(C)Grafitový ohřívač potažený TaC po 17 cyklech epitaxního růstu GaN

(3)Epitaxní podnosy (nosiče plátků)

Nosiče destiček jsou kritickými strukturálními složkami při přípravě a epitaxním růstu polovodičových destiček třetí generace, jako jsou SiC, AlN a GaN. Většina nosičů destiček je vyrobena z grafitu a potažena SiC, aby odolala korozi z procesních plynů a pracuje v teplotním rozsahu 1100 až 1600 °C. Antikorozní schopnost ochranného nátěru je zásadní pro životnost nosiče.

Výzkum ukazuje, že rychlost koroze TaC je výrazně pomalejší než u SiC v prostředí s vysokou teplotou amoniaku a vodíku.Potaženo TaCpodnosy jsou více kompatibilní s procesy blue GaN MOCVD a zabraňují vnášení nečistot. Výkon LED rostl pomocíTaC nosičeje srovnatelný s tradičními SiC nosiči, sPotaženo TaCpodnosy s vynikající životností.

Obrázek 3. Podnosy na destičky používané v zařízení MOCVD (Veeco P75) pro epitaxní růst GaN. Podnos na levé straně je potažen TaC, zatímco podnos napravo je potažen SiC

2. Výzvy v oblasti grafitových komponent potažených TaC

Přilnavost:Rozdíl koeficientu tepelné roztažnosti meziTaCa uhlíkové materiály mají za následek nízkou adhezní pevnost povlaku, což jej činí náchylným k praskání, pórovitosti a tepelnému namáhání, což může vést k odlupování povlaku v korozivní atmosféře a opakovaným teplotním cyklům.

Čistota: TaC povlakymusí udržovat ultra vysokou čistotu, aby se zabránilo vnášení nečistot při vysokých teplotách. Je třeba stanovit normy pro hodnocení volného uhlíku a vnitřních nečistot v povlaku.

Stabilita:Odolnost vůči vysokým teplotám nad 2300 °C a chemické atmosféře je kritická. Defekty, jako jsou dírky, praskliny a hranice zrn monokrystalu, jsou náchylné k infiltraci korozního plynu, což vede k selhání povlaku.

Odolnost proti oxidaci:TaCzačíná oxidovat při teplotách nad 500 °C za vzniku Ta2O5. Rychlost oxidace se zvyšuje s teplotou a koncentrací kyslíku, počínaje hranicemi zrn a malými zrny, což vede k významné degradaci povlaku a případné odlupování.

Rovnoměrnost a drsnost: Nekonzistentní rozložení nátěru může způsobit lokální tepelné namáhání, což zvyšuje riziko praskání a odlupování. Drsnost povrchu ovlivňuje interakce s vnějším prostředím, přičemž vyšší drsnost vede ke zvýšenému tření a nerovnoměrným tepelným polím.

Velikost zrna:Jednotná velikost zrna zvyšuje stabilitu povlaku, zatímco menší zrna jsou náchylná k oxidaci a korozi, což vede ke zvýšené pórovitosti a snížené ochraně. Větší zrna mohou způsobit odlupování způsobené tepelným napětím.

3. Závěr a výhled

Grafitové komponenty potažené TaC mají významnou tržní poptávku a široké vyhlídky na použití. Hlavní proud produkceTaC povlakyv současnosti spoléhá na komponenty CVD TaC, ale vysoká cena a omezená účinnost nanášení CVD zařízení dosud nenahradily tradiční grafitové materiály potažené SiC. Metody spékání mohou účinně snížit náklady na suroviny a přizpůsobit se složitým tvarům grafitu, čímž splňují různé potřeby aplikací. Společnosti jako AFTech, CGT Carbon GmbH a Toyo Tanso jsou vyspěléTaC povlakprocesy a ovládnout trh.

V Číně vývojGrafitové komponenty potažené TaCje stále ve fázi experimentu a rané industrializace. Pokrok v oboru, optimalizace současných metod přípravy, zkoumání nových vysoce kvalitních procesů potahování TaC a porozuměníTaC povlakochranné mechanismy a způsoby selhání jsou zásadní. Rozšiřující seAplikace povlaků TaCvyžaduje neustálé inovace od výzkumných institucí a společností. S růstem domácího trhu s polovodičovými třetími generacemi poroste poptávka po vysoce výkonných povlakech, což z domácích alternativ udělá budoucí trend v oboru.**