Anvendelses- og udviklingsudfordringer for TaC-belagte grafitkomponenter

I forbindelse med vækst af siliciumcarbid (SiC) wafer, står traditionelle grafitmaterialer og kulstof-carbon-kompositter, der anvendes i det termiske felt, over for betydelige udfordringer med at modstå den komplekse atmosfære ved 2300°C (Si, SiC2, Si2C). Disse materialer har ikke kun en kort levetid, der kræver udskiftning af forskellige dele efter en til ti ovncyklusser, men oplever også sublimering og fordampning ved høje temperaturer. Dette kan føre til dannelse af kulstofindeslutninger og andre krystaldefekter. For at sikre høj kvalitet og stabil vækst af halvlederkrystaller under hensyntagen til industrielle produktionsomkostninger er det vigtigt at forberede ultrahøj temperatur og korrosionsbestandige keramiske belægninger på grafitkomponenter. Disse belægninger forlænger levetiden af ​​grafitdele, hæmmer migration af urenheder og forbedrer krystalrenheden. Under SiC epitaksial vækst bruges SiC-belagte grafitbaser typisk til at understøtte og opvarme enkeltkrystalsubstrater. Imidlertid skal levetiden for disse baser stadig forbedres, og de kræver periodisk rengøring for at fjerne SiC-aflejringer fra grænsefladerne. Til sammenligning TantalCarbid (TaC) belægningertilbyder overlegen modstandsdygtighed over for korrosive atmosfærer og høje temperaturer, hvilket gør dem til en afgørende teknologi for at opnå optimal SiC-krystalvækst.

Med et smeltepunkt på 3880°C,TaCudviser høj mekanisk styrke, hårdhed og modstandsdygtighed over for termisk stød. Det bevarer fremragende kemisk inertitet og termisk stabilitet under høje temperaturforhold, der involverer ammoniak, brint og siliciumholdige dampe. Grafit (carbon-carbon komposit) materialer belagt medTaCer meget lovende som erstatninger for traditionel højrenhed grafit, pBN-coatede og SiC-coatede komponenter. Derudover inden for rumfart,TaChar et betydeligt potentiale for brug som en højtemperaturoxidations- og ablationsbestandig belægning, der tilbyder brede anvendelsesmuligheder. Men at opnå en tæt, ensartet og ikke-afskalningTaC belægningpå grafitoverflader og fremme af produktionen i industriel skala giver flere udfordringer. Forståelse af belægningens beskyttende mekanismer, innovative produktionsprocesser og konkurrence med top internationale standarder er afgørende for væksten og epitaksial udvikling af tredje generations halvledere.

Som konklusion er udvikling og anvendelse af TaC-belagte grafitkomponenter afgørende for at fremme SiC-wafervækstteknologi. At tage fat på udfordringerne iTaC belægningforberedelse og industrialisering vil være nøglen til at sikre højkvalitets halvlederkrystalvækst og udvide brugen afTaC belægningeri forskellige højtemperaturapplikationer.

1. Påføring af TaC-coatede grafitkomponenter

(1) Digel, podekrystalholder og flowrør iPVT-vækst af SiC- og AlN-enkeltkrystaller

Under den fysiske damptransport (PVT) metode til SiC-fremstilling placeres frøkrystallen i en relativt lavtemperaturzone, mens SiC-råmaterialet er i en højtemperaturzone (over 2400°C). Råmaterialet nedbrydes og producerer gasformige arter (SiXCy), som transporteres fra højtemperaturzonen til lavtemperaturzonen, hvor frøkrystallen er placeret. Denne proces, som omfatter kernedannelse og vækst til dannelse af enkeltkrystaller, kræver varmefeltmaterialer som digler, strømningsringe og frøkrystalholdere, der er modstandsdygtige over for høje temperaturer og ikke forurener SiC-råmaterialet og krystallerne. Lignende krav findes for AlN-enkeltkrystalvækst, hvor varmeelementer skal modstå Al-damp og N2-korrosion og have en høj eutektisk temperatur for at forkorte krystalfremstillingscyklussen.

Undersøgelser har vist, at vhaTaC-belagte grafitmaterialeri varmefeltet til SiC- og AlN-fremstilling resulterer i renere krystaller med færre kulstof-, oxygen- og nitrogenurenheder. Kantfejlene er minimeret, og modstanden på tværs af forskellige regioner er betydeligt reduceret, sammen med mikropore- og ætsegravetæthederne, hvilket i høj grad forbedrer krystalkvaliteten. DesudenTaCdigel viser ubetydeligt vægttab og ingen skade, hvilket giver mulighed for genbrug (med en levetid på op til 200 timer), hvilket forbedrer bæredygtigheden og effektiviteten af ​​enkeltkrystalpræparation.

(2 ) Varmelegemet i MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

MOCVD GaN-vækst involverer brug af kemisk dampaflejringsteknologi til at dyrke tynde film epitaksialt. Præcisionen og ensartetheden af ​​kammertemperaturen gør varmeren til en afgørende komponent. Det skal konsekvent og ensartet opvarme substratet over lange perioder og opretholde stabilitet ved høje temperaturer under ætsende gasser.

For at forbedre ydeevnen og genanvendeligheden af ​​MOCVD GaN-systemvarmeren,TaC belagt grafitvarmeapparater er blevet introduceret med succes. Sammenlignet med traditionelle varmeapparater med pBN-belægning viser TaC-varmere sammenlignelig ydeevne i krystalstruktur, tykkelsesensartethed, iboende defekter, urenhedsdoping og kontamineringsniveauer. Den lave resistivitet og overfladeemissionsevne afTaC belægningforbedre varmelegemets effektivitet og ensartethed, hvilket reducerer energiforbruget og varmeafledningen. Belægningens justerbare porøsitet forbedrer yderligere varmelegemets strålingsegenskaber og forlænger dets levetid, hvilket gørTaC belagt grafitvarmeapparater et overlegent valg til MOCVD GaN vækstsystemer.

Figur 2. (a) Skematisk diagram af MOCVD-apparatet til GaN epitaksial vækst

(b) Formet TaC-belagt grafitvarmer installeret i MOCVD-opsætningen, eksklusive bunden og understøtninger (indsatsen viser bunden og understøtninger under opvarmning)

(c)TaC-belagt grafitvarmer efter 17 cyklusser af GaN epitaksial vækst

(3)Epitaksiale belægningsbakker (waferbærere)

Waferbærere er kritiske strukturelle komponenter i fremstillingen og epitaksial vækst af tredjegenerations halvlederwafers såsom SiC, AlN og GaN. De fleste waferbærere er lavet af grafit og belagt med SiC for at modstå korrosion fra procesgasser, der opererer inden for et temperaturområde på 1100 til 1600°C. Den beskyttende belægnings anti-korrosionsevne er afgørende for bærerens levetid.

Forskning viser, at TaC's korrosionshastighed er betydeligt langsommere end SiC i højtemperaturammoniak- og brintmiljøer, hvilket gørTaC belagtbakker mere kompatible med blå GaN MOCVD-processer og forhindrer introduktion af urenheder. LED-ydelse vokset vhaTaC-bærereer sammenlignelig med traditionelle SiC-bærere, medTaC belagtbakker, der viser overlegen levetid.

Figur 3. Waferbakker brugt i MOCVD-udstyret (Veeco P75) til GaN epitaksial vækst. Bakken til venstre er belagt med TaC, mens bakken til højre er belagt med SiC

2. Udfordringer i TaC Coated Graphite Components

Vedhæftning:Den termiske udvidelseskoefficient forskel mellemTaCog kulstofmaterialer resulterer i lav belægningsadhæsionsstyrke, hvilket gør den tilbøjelig til revnedannelse, porøsitet og termisk belastning, hvilket kan føre til belægningsspallering under korrosive atmosfærer og gentagne temperaturcyklusser.

Renhed: TaC belægningerskal opretholde ultrahøj renhed for at undgå at indføre urenheder ved høje temperaturer. Der skal etableres standarder for vurdering af frit kulstof og iboende urenheder i belægningen.

Stabilitet:Modstand mod høje temperaturer over 2300°C og kemiske atmosfærer er kritisk. Defekter såsom nålehuller, revner og enkeltkrystalkorngrænser er modtagelige for ætsende gasinfiltration, hvilket fører til belægningsfejl.

Oxidationsmodstand:TaCbegynder at oxidere ved temperaturer over 500°C og danner Ta2O5. Oxidationshastigheden stiger med temperatur og iltkoncentration, startende fra korngrænser og små korn, hvilket fører til betydelig belægningsnedbrydning og eventuel spallation.

Ensartethed og ruhed: Inkonsekvent belægningsfordeling kan forårsage lokal termisk belastning, hvilket øger risikoen for revner og spallation. Overfladeruhed påvirker interaktioner med det ydre miljø, hvor højere ruhed fører til øget friktion og ujævne termiske felter.

Kornstørrelse:Ensartet kornstørrelse forbedrer belægningens stabilitet, hvorimod mindre korn er tilbøjelige til oxidation og korrosion, hvilket fører til øget porøsitet og reduceret beskyttelse. Større korn kan forårsage spallation forårsaget af termisk stress.

3. Konklusion og Outlook

TaC-belagte grafitkomponenter har betydelig markedsefterspørgsel og brede anvendelsesmuligheder. Den almindelige produktion afTaC belægningerer i øjeblikket afhængig af CVD TaC-komponenter, men de høje omkostninger og begrænsede afsætningseffektivitet af CVD-udstyr har endnu ikke erstattet traditionelle SiC-belagte grafitmaterialer. Sintringsmetoder kan effektivt reducere råmaterialeomkostninger og rumme komplekse grafitformer, der opfylder forskellige anvendelsesbehov. Virksomheder som AFTech, CGT Carbon GmbH og Toyo Tanso er modneTaC belægningprocesser og dominerer markedet.

I Kina er udviklingen afTaC-belagte grafitkomponenterer stadig i sine eksperimentelle og tidlige industrialiseringsstadier. For at fremme industrien, optimere nuværende forberedelsesmetoder, udforske nye højkvalitets TaC-belægningsprocesser og forståelseTaC belægningbeskyttelsesmekanismer og fejltilstande er afgørende. UdviderTaC-belægningsapplikationerkræver kontinuerlig innovation fra forskningsinstitutioner og virksomheder. Efterhånden som det indenlandske tredjegenerations halvledermarked vokser, vil efterspørgslen efter højtydende belægninger stige, hvilket gør indenlandske alternativer til den fremtidige industritrend.**