TaC-ga kaetud grafiitkomponentide rakendamise ja arendamise väljakutsed

Ränikarbiidi (SiC) vahvlite kasvatamise kontekstis seisavad termilises väljas kasutatavad traditsioonilised grafiitmaterjalid ja süsinik-süsinik komposiidid silmitsi suurte väljakutsetega, et taluda keerulist atmosfääri 2300 °C juures (Si, SiC₂, Si₂C). Need materjalid ei ole mitte ainult lühikese elueaga, mis nõuavad erinevate osade väljavahetamist ühe kuni kümne ahjutsükli järel, vaid ka sublimeerumist ja lendumist kõrgel temperatuuril. See võib viia süsinikusulgude ja muude kristallide defektide tekkeni. Pooljuhtkristallide kõrge kvaliteedi ja stabiilse kasvu tagamiseks, arvestades tööstusliku tootmiskulusid, on oluline valmistada grafiitkomponentidele ülikõrge temperatuuri- ja korrosioonikindlad keraamilised katted. Need katted pikendavad grafiidiosade eluiga, pärsivad lisandite migratsiooni ja suurendavad kristallide puhtust. SiC epitaksiaalse kasvu ajal kasutatakse tavaliselt SiC-ga kaetud grafiidist aluseid monokristall-substraatide toetamiseks ja soojendamiseks. Nende aluste eluiga vajab siiski parandamist ja liidestelt ränikarbiidi sademete eemaldamiseks tuleb neid perioodiliselt puhastada. Võrdluseks, tantaalKarbiidkatted (TaC).pakuvad suurepärast vastupidavust söövitavale atmosfäärile ja kõrgetele temperatuuridele, muutes need ülioluliseks tehnoloogiaks optimaalse SiC kristallide kasvu saavutamiseks.

sulamistemperatuuriga 3880 °C,TaCsellel on kõrge mehaaniline tugevus, kõvadus ja soojuslöögikindlus. See säilitab suurepärase keemilise inertsuse ja termilise stabiilsuse kõrgel temperatuuril, mis hõlmab ammoniaaki, vesinikku ja räni sisaldavaid aure. Grafiit (süsinik-süsinik komposiit) materjalid, mis on kaetudTaCon väga paljulubavad traditsiooniliste kõrge puhtusastmega grafiidi, pBN-kattega ja SiC-ga kaetud komponentide asendajana. Lisaks on lennundusesTaCsellel on märkimisväärne potentsiaal kasutada kõrgel temperatuuril oksüdatsiooni- ja ablatsioonikindla kattena, pakkudes laialdasi kasutusvõimalusi. Siiski saavutatakse tihe, ühtlane ja mittekooruvTaC kategrafiitpindadele ja selle tööstusliku tootmise edendamine kujutab endast mitmeid väljakutseid. Katte kaitsemehhanismide mõistmine, tootmisprotsesside uuendamine ja tipptasemel rahvusvaheliste standarditega konkureerimine on kolmanda põlvkonna pooljuhtide kasvu ja epitaksiaalse arengu jaoks üliolulised.

Kokkuvõtteks võib öelda, et TaC-ga kaetud grafiidikomponentide väljatöötamine ja rakendamine on ränikarbiidi vahvlite kasvutehnoloogia edendamiseks kriitilise tähtsusega. Väljakutsete lahendamineTaC kateettevalmistamine ja industrialiseerimine on võtmetähtsusega pooljuhtkristallide kvaliteetse kasvu tagamisel ja nende kasutamise laiendamiselTaC kattedmitmesugustes kõrge temperatuuriga rakendustes.

1. TaC-ga kaetud grafiitkomponentide pealekandmine

(1) Tiigel, idukristallide hoidja ja sissevoolutoruPVT SiC ja AlN üksikkristallide kasv

Ränikarbiidi valmistamise füüsilise aurutranspordi (PVT) meetodi ajal asetatakse idukristall suhteliselt madala temperatuuriga tsooni, samas kui SiC tooraine on kõrge temperatuuriga tsoonis (üle 2400 °C). Tooraine lagunemisel tekib gaasilised liigid (SiXCy), mis transporditakse kõrge temperatuuriga tsoonist madala temperatuuriga tsooni, kus asub seemnekristall. See protsess, mis hõlmab tuuma moodustumist ja kasvamist monokristallide moodustamiseks, nõuab soojusvälja materjale, nagu tiiglid, voolurõngad ja seemnekristallide hoidjad, mis on vastupidavad kõrgetele temperatuuridele ega saasta ränikarbiidi toorainet ega kristalle. Sarnased nõuded kehtivad ka AlN monokristallide kasvatamiseks, kus kütteelemendid peavad vastu pidama Al-auru ja N2 korrosioonile ning neil peab olema kõrge eutektiline temperatuur, et lühendada kristallide ettevalmistamise tsüklit.

Uuringud on näidanud, et kasutadesTaC-ga kaetud grafiitmaterjalidSiC ja AlN valmistamise soojusväljas saadakse puhtamad kristallid, milles on vähem süsiniku, hapniku ja lämmastiku lisandeid. Servadefektid on minimeeritud ja eri piirkondade eritakistus ning mikropooride ja söövitusavade tihedus on oluliselt vähenenud, parandades oluliselt kristallide kvaliteeti. Lisaks onTaCtiigel näitab tühist kaalukaotust ja kahjustusteta, võimaldades taaskasutamist (elueaga kuni 200 tundi), suurendades monokristallide valmistamise jätkusuutlikkust ja tõhusust.

(2) Kütteseade MOCVD GaN epitaksiaalse kihi kasvus

MOCVD GaN kasv hõlmab keemilise aurustamise-sadestamise tehnoloogia kasutamist õhukeste kilede epitaksiaalseks kasvatamiseks. Kambri temperatuuri täpsus ja ühtlus muudavad küttekeha ülioluliseks komponendiks. See peab järjepidevalt ja ühtlaselt kuumutama aluspinda pikka aega ning säilitama stabiilsuse kõrgetel temperatuuridel söövitavate gaaside all.

MOCVD GaN süsteemi küttekeha jõudluse ja taaskasutatavuse parandamiseks,TaC-ga kaetud grafiitküttekehad on edukalt kasutusele võetud. Võrreldes tavapäraste pBN-kattega kütteseadmetega näitavad TaC-soojendid võrreldavat jõudlust kristallstruktuuri, paksuse ühtluse, sisemiste defektide, lisandite dopingu ja saastumise taseme osas. Madal takistus ja pinna kiirgavusTaC katesuurendada küttekeha tõhusust ja ühtlust, vähendades energiatarbimist ja soojuse hajumist. Katte reguleeritav poorsus parandab veelgi küttekeha kiirgusomadusi ja pikendab selle eluiga, muutesTaC-ga kaetud grafiitküttekehad on suurepärane valik MOCVD GaN kasvusüsteemide jaoks.

Joonis 2. (a) GaN epitaksiaalse kasvu MOCVD aparaadi skemaatiline diagramm

(b) Moodustatud TaC-kattega grafiitküttekeha, mis on paigaldatud MOCVD seadistusse, välja arvatud alus ja toed (sisend näitab alust ja tugesid kuumutamise ajal)

(c)TaC-ga kaetud grafiidisoojendi pärast 17 GaN epitaksiaalse kasvu tsüklit

(3)Epitaksiaalsed kattealused (vahvlikandjad)

Vahvlikandjad on kriitilised struktuurikomponendid kolmanda põlvkonna pooljuhtplaatide, nagu SiC, AlN ja GaN, valmistamisel ja epitaksiaalsel kasvatamisel. Enamik vahvlikandjaid on valmistatud grafiidist ja kaetud SiC-ga, et takistada protsessigaaside korrosiooni, töötades temperatuurivahemikus 1100–1600 °C. Kaitsekatte korrosioonivastane võime on kanduri eluea jaoks ülioluline.

Uuringud näitavad, et TaC korrosioonikiirus on kõrge temperatuuriga ammoniaagi ja vesiniku keskkonnas oluliselt aeglasem kui SiC, mistõttuTaC kaetudkandikud ühilduvad paremini sinise GaN MOCVD protsessidega ja takistavad lisandite sisseviimist. LED-i jõudlus on kasvanud kasutadesTaC kandjadon võrreldav traditsiooniliste SiC kandjategaTaC kaetudkandikud, mis näitavad ülimat eluiga.

Joonis 3. MOCVD-seadmetes (Veeco P75) GaN-i epitaksiaalseks kasvatamiseks kasutatavad vahvlialused. Vasakpoolne kandik on kaetud TaC-ga, parempoolne kandik aga SiC-ga

2. TaC-ga kaetud grafiitkomponentide väljakutsed

Adhesioon:Soojuspaisumisteguri erinevusTaCja süsinikmaterjalid põhjustavad katte madala haardumistugevuse, muutes selle kalduvaks pragunemisele, poorsusele ja termilisele pingele, mis võib põhjustada katte lõhenemist söövitavas keskkonnas ja korduvat temperatuuritsüklit.

Puhtus: TaC kattedpeavad säilitama ülikõrge puhtuse, et vältida lisandite sattumist kõrgetel temperatuuridel. Tuleb kehtestada standardid kattekihis sisalduva vaba süsiniku ja sisemiste lisandite hindamiseks.

Stabiilsus:Kriitiline on vastupidavus kõrgetele temperatuuridele üle 2300°C ja keemilisele atmosfäärile. Defektid, nagu nööpaugud, praod ja monokristalli terade piirid, on vastuvõtlikud söövitava gaasi imbumisele, mis põhjustab katte rikke.

Oksüdatsioonikindlus:TaChakkab oksüdeerima temperatuuril üle 500°C, moodustades Ta2O5. Oksüdatsioonikiirus suureneb koos temperatuuri ja hapniku kontsentratsiooniga, alustades terade piiridest ja väikestest teradest, mis põhjustab katte olulist lagunemist ja võimalikku lainetust.

Ühtlus ja karedus: katte ebaühtlane jaotumine võib põhjustada lokaalset termilist pinget, suurendades pragunemise ja lõhenemise ohtu. Pinna karedus mõjutab koostoimeid väliskeskkonnaga, kusjuures suurem karedus põhjustab suuremat hõõrdumist ja ebaühtlaseid soojusvälju.

Tera suurus:Ühtne tera suurus suurendab katte stabiilsust, samas kui väiksemad terad on altid oksüdatsioonile ja korrosioonile, mis suurendab poorsust ja vähendab kaitset. Suuremad terad võivad põhjustada termilisest stressist tingitud lõhenemist.

3. Kokkuvõte ja väljavaade

TaC-ga kaetud grafiitkomponentidel on märkimisväärne turunõudlus ja laialdased kasutusvõimalused. Peavoolu tootmineTaC kattedtoetub praegu CVD TaC komponentidele, kuid CVD-seadmete kõrge hind ja piiratud sadestusefektiivsus ei ole veel asendanud traditsioonilisi ränidioksiidiga kaetud grafiitmaterjale. Paagutamismeetodid võivad tõhusalt vähendada toorainekulusid ja kohandada keerulisi grafiidi kujundeid, mis vastavad erinevatele rakendusvajadustele. Sellised ettevõtted nagu AFTech, CGT Carbon GmbH ja Toyo Tanso on küpsedTaC kateprotsessid ja domineerivad turul.

Hiinas arendamineTaC-ga kaetud grafiitkomponendidon alles eksperimenteerimise ja industrialiseerimise algfaasis. Tööstuse edendamiseks, praeguste ettevalmistusmeetodite optimeerimiseks, uute kvaliteetsete TaC-katmisprotsesside uurimiseks ja mõistmiseksTaC katekaitsemehhanismid ja rikkerežiimid on olulised. LaienevTaC-katte rakendusednõuab teadusasutustelt ja ettevõtetelt pidevat innovatsiooni. Kuna kodumaine kolmanda põlvkonna pooljuhtide turg kasvab, suureneb nõudlus suure jõudlusega pinnakatete järele, muutes kodumaised alternatiivid tööstuse tulevikutrendiks.**