Applikasjons- og utviklingsutfordringer for TaC-belagte grafittkomponenter

I sammenheng med silisiumkarbid (SiC) wafervekst, møter tradisjonelle grafittmaterialer og karbon-karbon-kompositter som brukes i det termiske feltet betydelige utfordringer med å motstå den komplekse atmosfæren ved 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Disse materialene har ikke bare en kort levetid, som krever utskifting av forskjellige deler etter en til ti ovnssykluser, men opplever også sublimering og fordampning ved høye temperaturer. Dette kan føre til dannelse av karboninneslutninger og andre krystalldefekter. For å sikre høy kvalitet og stabil vekst av halvlederkrystaller mens man tar i betraktning industrielle produksjonskostnader, er det viktig å forberede ultrahøy temperatur og korrosjonsbestandige keramiske belegg på grafittkomponenter. Disse beleggene forlenger levetiden til grafittdeler, hemmer migrering av urenheter og forbedrer krystallrenheten. Under SiC epitaksial vekst brukes SiC-belagte grafittbaser vanligvis til å støtte og varme enkeltkrystallsubstrater. Levetiden til disse basene trenger imidlertid fortsatt forbedring, og de krever periodisk rengjøring for å fjerne SiC-avleiringer fra grensesnittene. Til sammenligning TantalKarbidbelegg (TaC).tilbyr overlegen motstand mot korrosive atmosfærer og høye temperaturer, noe som gjør dem til en avgjørende teknologi for å oppnå optimal SiC-krystallvekst.

Med et smeltepunkt på 3880°C,TaChar høy mekanisk styrke, hardhet og motstand mot termisk støt. Den opprettholder utmerket kjemisk inerthet og termisk stabilitet under høye temperaturforhold som involverer ammoniakk, hydrogen og silisiumholdige damper. Grafitt (karbon-karbon kompositt) materialer belagt medTaCer svært lovende som erstatninger for tradisjonell høyrent grafitt, pBN-belagte og SiC-belagte komponenter. I tillegg, innen romfart,TaChar betydelig potensial for bruk som et høytemperatur-oksidasjonsbestandig og ablasjonsbestandig belegg, og tilbyr brede bruksmuligheter. Men å oppnå en tett, ensartet og ikke-peelingTaC beleggpå grafittoverflater og å fremme produksjonen i industriell skala byr på flere utfordringer. Å forstå beleggets beskyttende mekanismer, innovative produksjonsprosesser og konkurrere med topp internasjonale standarder er avgjørende for vekst og epitaksial utvikling av tredjegenerasjons halvledere.

Avslutningsvis er utvikling og bruk av TaC-belagte grafittkomponenter avgjørende for å fremme SiC-wafervekstteknologi. Ta tak i utfordringene iTaC beleggforberedelse og industrialisering vil være nøkkelen til å sikre høykvalitets halvlederkrystallvekst og utvide bruken avTaC-beleggi ulike høytemperaturapplikasjoner.

1. Påføring av TaC-belagte grafittkomponenter

(1) Digelen, frøkrystallholderen og strømningsrøret innPVT-vekst av SiC og AlN enkeltkrystaller

Under den fysiske damptransportmetoden (PVT) for SiC-preparering, plasseres frøkrystallen i en sone med relativt lav temperatur mens SiC-råmaterialet er i en høytemperatursone (over 2400°C). Råstoffet brytes ned for å produsere gassformige arter (SiXCy), som transporteres fra høytemperatursonen til lavtemperatursonen der frøkrystallen befinner seg. Denne prosessen, som inkluderer kjernedannelse og vekst for å danne enkeltkrystaller, krever varmefeltmaterialer som digler, strømningsringer og frøkrystallholdere som er motstandsdyktige mot høye temperaturer og ikke forurenser SiC-råmaterialet og krystallene. Lignende krav eksisterer for AlN enkeltkrystallvekst, der varmeelementer må motstå Al-damp og N2-korrosjon og ha en høy eutektisk temperatur for å forkorte krystallklargjøringssyklusen.

Studier har vist at brukTaC-belagte grafittmaterialeri varmefeltet for SiC og AlN-preparering resulterer i renere krystaller med færre karbon-, oksygen- og nitrogenurenheter. Kantdefektene er minimert, og resistiviteten på tvers av forskjellige regioner er betydelig redusert, sammen med mikropore- og etsegroptetthetene, noe som i stor grad forbedrer krystallkvaliteten. Videre harTaCsmeltedigel viser ubetydelig vekttap og ingen skade, noe som tillater gjenbruk (med en levetid på opptil 200 timer), noe som forbedrer bærekraften og effektiviteten til enkeltkrystallpreparater.

(2 ) Varmeren i MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

MOCVD GaN-vekst innebærer bruk av kjemisk dampavsetningsteknologi for å dyrke tynne filmer epitaksialt. Presisjonen og jevnheten til kammertemperaturen gjør varmeren til en avgjørende komponent. Det må konsekvent og jevnt varme opp underlaget over lange perioder og opprettholde stabilitet ved høye temperaturer under korrosive gasser.

For å forbedre ytelsen og resirkulerbarheten til MOCVD GaN-systemvarmeren,TaC-belagt grafittvarmeovner har blitt introdusert. Sammenlignet med tradisjonelle varmeovner med pBN-belegg, viser TaC-varmere sammenlignbare ytelser i krystallstruktur, jevn tykkelse, iboende defekter, urenhetsdoping og forurensningsnivåer. Den lave resistiviteten og overflateemissiviteten tilTaC beleggforbedre varmerens effektivitet og jevnhet, redusere energiforbruket og varmespredningen. Den justerbare porøsiteten til belegget forbedrer varmerens strålingsegenskaper ytterligere og forlenger levetiden, noe som gjørTaC-belagt grafittvarmeovner et overlegent valg for MOCVD GaN vekstsystemer.

Figur 2. (a) Skjematisk diagram av MOCVD-apparatet for GaN epitaksial vekst

(b) Formet TaC-belagt grafittvarmer installert i MOCVD-oppsettet, unntatt basen og støtter (innsatsen viser basen og støtter under oppvarming)

(c)TaC-belagt grafittvarmer etter 17 sykluser med GaN epitaksial vekst

(3)Epitaksiale beleggsbrett (waferbærere)

Waferbærere er kritiske strukturelle komponenter i fremstillingen og epitaksial vekst av tredjegenerasjons halvlederskiver som SiC, AlN og GaN. De fleste waferbærere er laget av grafitt og belagt med SiC for å motstå korrosjon fra prosessgasser, som opererer innenfor et temperaturområde på 1100 til 1600°C. Anti-korrosjonsevnen til det beskyttende belegget er avgjørende for bærerens levetid.

Forskning indikerer at TaCs korrosjonshastighet er betydelig lavere enn SiC i høytemperaturammoniakk- og hydrogenmiljøer, noe som gjørTaC belagtskuffer mer kompatible med blå GaN MOCVD-prosesser og forhindrer innføring av urenheter. LED-ytelse vokst medTaC-bærereer sammenlignbar med tradisjonelle SiC-bærere, medTaC belagtskuffer som viser overlegen levetid.

Figur 3. Waferbrett brukt i MOCVD-utstyret (Veeco P75) for GaN epitaksial vekst. Brettet til venstre er belagt med TaC, mens brettet til høyre er belagt med SiC

2. Utfordringer i TaC-belagte grafittkomponenter

Vedheft:Den termiske ekspansjonskoeffisienten forskjellen mellomTaCog karbonmaterialer resulterer i lav vedheftstyrke for belegget, noe som gjør det utsatt for sprekker, porøsitet og termisk stress, noe som kan føre til spalling av belegg under korrosive atmosfærer og gjentatt temperatursvingning.

Renhet: TaC-beleggmå opprettholde ultrahøy renhet for å unngå å introdusere urenheter ved høye temperaturer. Standarder for evaluering av fritt karbon og iboende urenheter i belegget må etableres.

Stabilitet:Motstand mot høye temperaturer over 2300°C og kjemiske atmosfærer er kritisk. Defekter som pinholes, sprekker og enkeltkrystallkorngrenser er utsatt for etsende gassinfiltrasjon, noe som fører til beleggsvikt.

Oksidasjonsmotstand:TaCbegynner å oksidere ved temperaturer over 500°C, og danner Ta2O5. Oksydasjonshastigheten øker med temperatur og oksygenkonsentrasjon, med start fra korngrenser og små korn, noe som fører til betydelig nedbrytning av belegget og eventuell avskalling.

Ensartethet og ruhet: Inkonsekvent beleggsfordeling kan forårsake lokalisert termisk stress, noe som øker risikoen for sprekker og avskalling. Overflateruhet påvirker interaksjoner med det ytre miljø, med høyere ruhet som fører til økt friksjon og ujevne termiske felt.

Korn størrelse:Ensartet kornstørrelse forbedrer beleggets stabilitet, mens mindre korn er utsatt for oksidasjon og korrosjon, noe som fører til økt porøsitet og redusert beskyttelse. Større korn kan forårsake termisk stress-indusert spalling.

3. Konklusjon og utsikter

TaC-belagte grafittkomponenter har betydelig markedsetterspørsel og brede bruksutsikter. Den ordinære produksjonen avTaC-belegger for tiden avhengig av CVD TaC-komponenter, men de høye kostnadene og begrensede avsetningseffektiviteten til CVD-utstyr har ennå ikke erstattet tradisjonelle SiC-belagte grafittmaterialer. Sintringsmetoder kan effektivt redusere råvarekostnadene og imøtekomme komplekse grafittformer, og møte ulike bruksbehov. Selskaper som AFTech, CGT Carbon GmbH og Toyo Tanso er modneTaC beleggprosesser og dominerer markedet.

I Kina er utviklingen avTaC-belagte grafittkomponenterer fortsatt i sine eksperimentelle og tidlige industrialiseringsstadier. For å fremme industrien, optimalisere nåværende tilberedningsmetoder, utforske nye høykvalitets TaC-beleggsprosesser og forståTaC beleggbeskyttelsesmekanismer og feilmoduser er avgjørende. UtviderTaC-beleggapplikasjonerkrever kontinuerlig innovasjon fra forskningsinstitusjoner og bedrifter. Etter hvert som det innenlandske tredjegenerasjons halvledermarkedet vokser, vil etterspørselen etter høyytelsesbelegg øke, noe som gjør innenlandske alternativer til den fremtidige industritrenden.**