Toepassings- en ontwikkelingsuitdagingen van met TaC gecoate grafietcomponenten

In de context van de groei van siliciumcarbide (SiC)-wafels worden traditionele grafietmaterialen en koolstof-koolstofcomposieten die op thermisch gebied worden gebruikt, geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen bij het weerstaan ​​van de complexe atmosfeer bij 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Deze materialen hebben niet alleen een korte levensduur, waarbij na één tot tien ovencycli vervanging van verschillende onderdelen nodig is, maar ondergaan ook sublimatie en vervluchtiging bij hoge temperaturen. Dit kan leiden tot de vorming van koolstofinsluitsels en andere kristaldefecten. Om de hoge kwaliteit en stabiele groei van halfgeleiderkristallen te garanderen, rekening houdend met de industriële productiekosten, is het essentieel om keramische coatings met ultrahoge temperaturen en corrosiebestendig op grafietcomponenten te vervaardigen. Deze coatings verlengen de levensduur van grafietonderdelen, remmen de migratie van onzuiverheden en verbeteren de kristalzuiverheid. Tijdens de epitaxiale groei van SiC worden met SiC beklede grafietbases doorgaans gebruikt om monokristallijne substraten te ondersteunen en te verwarmen. De levensduur van deze bases moet echter nog worden verbeterd en ze vereisen periodieke reiniging om SiC-afzettingen van de interfaces te verwijderen. Ter vergelijking: TantaalCarbide (TaC) coatingsbieden superieure weerstand tegen corrosieve atmosferen en hoge temperaturen, waardoor ze een cruciale technologie zijn voor het bereiken van optimale SiC-kristalgroei.

Met een smeltpunt van 3880°C,TaCvertoont een hoge mechanische sterkte, hardheid en thermische schokbestendigheid. Het behoudt een uitstekende chemische inertheid en thermische stabiliteit onder hoge temperaturen waarbij ammoniak, waterstof en siliciumhoudende dampen betrokken zijn. Grafiet (koolstof-koolstofcomposiet) materialen gecoat metTaCzijn veelbelovend als vervanging voor traditionele, zeer zuivere grafiet-, pBN-gecoate en SiC-gecoate componenten. Bovendien is er op lucht- en ruimtevaartgebiedTaCheeft een aanzienlijk potentieel voor gebruik als een oxidatiebestendige en ablatiebestendige coating tegen hoge temperaturen, en biedt brede toepassingsmogelijkheden. Er wordt echter een dichte, uniforme en niet-afbladderende werking bereiktTaC-coatingop grafietoppervlakken en het bevorderen van de productie ervan op industriële schaal brengen verschillende uitdagingen met zich mee. Het begrijpen van de beschermende mechanismen van de coating, het innoveren van productieprocessen en het concurreren met internationale topnormen zijn cruciaal voor de groei en epitaxiale ontwikkeling van halfgeleiders van de derde generatie.

Kortom, de ontwikkeling en toepassing van met TaC gecoate grafietcomponenten zijn van cruciaal belang voor de vooruitgang van de SiC-wafelgroeitechnologie. Het aanpakken van de uitdagingen inTaC-coatingvoorbereiding en industrialisatie zullen van cruciaal belang zijn om de groei van halfgeleiderkristallen van hoge kwaliteit te garanderen en het gebruik ervan uit te breidenTaC-coatingsin diverse toepassingen bij hoge temperaturen.

1. Toepassing van TaC-gecoate grafietcomponenten

(1) De smeltkroes, de entkristalhouder en de stromingsbuis erinPVT-groei van SiC- en AlN-enkele kristallen

Tijdens de fysische damptransportmethode (PVT) voor de bereiding van SiC wordt het entkristal in een relatief lage temperatuurzone geplaatst, terwijl de SiC-grondstof zich in een hoge temperatuurzone (boven 2400°C) bevindt. De grondstof ontleedt en produceert gasvormige soorten (SiXCy), die worden getransporteerd van de hoge temperatuurzone naar de lage temperatuurzone waar het entkristal zich bevindt. Dit proces, dat kiemvorming en groei omvat om enkele kristallen te vormen, vereist warmteveldmaterialen zoals smeltkroezen, stromingsringen en entkristalhouders die bestand zijn tegen hoge temperaturen en de SiC-grondstof en -kristallen niet vervuilen. Soortgelijke vereisten bestaan ​​voor de groei van AlN-monokristallen, waarbij verwarmingselementen weerstand moeten bieden aan Al-damp- en N2-corrosie en een hoge eutectische temperatuur moeten hebben om de kristalvoorbereidingscyclus te verkorten.

Uit onderzoek is gebleken dat het gebruik vanMet TaC gecoate grafietmaterialenop het gebied van warmte voor de bereiding van SiC en AlN resulteert in schonere kristallen met minder koolstof-, zuurstof- en stikstofverontreinigingen. De randdefecten worden geminimaliseerd en de soortelijke weerstand over verschillende gebieden wordt aanzienlijk verminderd, samen met de dichtheden van de microporiën en etsputten, waardoor de kristalkwaliteit aanzienlijk wordt verbeterd. Verder is deTaCDe smeltkroes vertoont een verwaarloosbaar gewichtsverlies en geen schade, waardoor hergebruik mogelijk is (met een levensduur van maximaal 200 uur), waardoor de duurzaamheid en efficiëntie van de bereiding van één kristal wordt vergroot.

(2) De verwarmer in MOCVD GaN epitaxiale laaggroei

MOCVD GaN-groei omvat het gebruik van chemische dampdepositietechnologie om dunne films epitaxiaal te laten groeien. De precisie en uniformiteit van de kamertemperatuur maken de verwarmer tot een cruciaal onderdeel. Het moet het substraat consistent en gelijkmatig gedurende lange perioden verwarmen en de stabiliteit behouden bij hoge temperaturen onder corrosieve gassen.

Om de prestaties en recycleerbaarheid van de MOCVD GaN-systeemverwarmer te verbeteren,TaC-gecoat grafietverwarmingstoestellen zijn met succes geïntroduceerd. Vergeleken met traditionele verwarmers met pBN-coatings vertonen TaC-verwarmers vergelijkbare prestaties op het gebied van kristalstructuur, dikte-uniformiteit, intrinsieke defecten, doping door onzuiverheden en verontreinigingsniveaus. De lage soortelijke weerstand en oppervlakte-emissiviteit van deTaC-coatingverbeter de efficiëntie en uniformiteit van de verwarmer, waardoor het energieverbruik en de warmteafvoer worden verminderd. De instelbare porositeit van de coating verbetert de stralingseigenschappen van de verwarmer nog verder en verlengt de levensduur ervanTaC-gecoat grafietverwarmers een superieure keuze voor MOCVD GaN-groeisystemen.

Figuur 2. (a) Schematisch diagram van het MOCVD-apparaat voor GaN epitaxiale groei

(b) Gevormde TaC-gecoate grafietverwarmer geïnstalleerd in de MOCVD-opstelling, exclusief de basis en steunen (de inzet toont de basis en steunen tijdens verwarming)

(C)Met TaC gecoate grafietverwarmer na 17 cycli GaN epitaxiale groei

(3)Epitaxiale coatingtrays (wafeldragers)

Waferdragers zijn cruciale structurele componenten bij de voorbereiding en epitaxiale groei van halfgeleiderwafels van de derde generatie, zoals SiC, AlN en GaN. De meeste waferdragers zijn gemaakt van grafiet en gecoat met SiC om corrosie door procesgassen te weerstaan, en werken binnen een temperatuurbereik van 1100 tot 1600 °C. Het corrosiewerende vermogen van de beschermende coating is cruciaal voor de levensduur van de drager.

Onderzoek wijst uit dat de corrosiesnelheid van TaC aanzienlijk langzamer is dan die van SiC in ammoniak- en waterstofomgevingen met hoge temperaturenTaC-gecoattrays die beter compatibel zijn met blauwe GaN MOCVD-processen en het voorkomen van de introductie van onzuiverheden. LED-prestaties gegroeid met behulp vanTaC-dragersis vergelijkbaar met traditionele SiC-dragers, met deTaC-gecoattrays die een superieure levensduur aantonen.

Figuur 3. Wafertrays gebruikt in de MOCVD-apparatuur (Veeco P75) voor GaN epitaxiale groei. De lade aan de linkerkant is gecoat met TaC, terwijl de lade aan de rechterkant is gecoat met SiC

2. Uitdagingen bij met TaC gecoate grafietcomponenten

Hechting:Het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt tussenTaCen koolstofmaterialen resulteren in een lage hechtsterkte van de coating, waardoor deze gevoelig is voor barsten, porositeit en thermische spanning, wat kan leiden tot afbladderen van de coating onder corrosieve atmosferen en herhaalde temperatuurwisselingen.

Puurheid: TaC-coatingsmoet een ultrahoge zuiverheid behouden om te voorkomen dat onzuiverheden bij hoge temperaturen worden geïntroduceerd. Er moeten normen worden vastgesteld voor het evalueren van vrije koolstof en intrinsieke onzuiverheden in de coating.

Stabiliteit:Bestandheid tegen hoge temperaturen boven 2300°C en chemische atmosferen is van cruciaal belang. Defecten zoals gaatjes, scheuren en enkele kristalkorrelgrenzen zijn gevoelig voor corrosieve gasinfiltratie, wat leidt tot falen van de coating.

Oxidatieweerstand:TaCbegint te oxideren bij temperaturen boven 500°C, waarbij Ta2O5 wordt gevormd. De oxidatiesnelheid neemt toe met de temperatuur en de zuurstofconcentratie, beginnend bij korrelgrenzen en kleine korrels, wat leidt tot aanzienlijke degradatie van de coating en uiteindelijk spallatie.

Uniformiteit en ruwheid: Een inconsistente verdeling van de coating kan plaatselijke thermische spanningen veroorzaken, waardoor het risico op barsten en spatten toeneemt. Oppervlakteruwheid beïnvloedt de interactie met de externe omgeving, waarbij een hogere ruwheid leidt tot verhoogde wrijving en ongelijkmatige thermische velden.

Korrelgrootte:Een uniforme korrelgrootte verbetert de stabiliteit van de coating, terwijl kleinere korrels gevoelig zijn voor oxidatie en corrosie, wat leidt tot verhoogde porositeit en verminderde bescherming. Grotere korrels kunnen door thermische spanning veroorzaakte spallatie veroorzaken.

3. Conclusie en vooruitzichten

Met TaC gecoate grafietcomponenten hebben een aanzienlijke marktvraag en brede toepassingsmogelijkheden. De reguliere productie vanTaC-coatingsvertrouwt momenteel op CVD TaC-componenten, maar de hoge kosten en de beperkte depositie-efficiëntie van CVD-apparatuur hebben de traditionele met SiC gecoate grafietmaterialen nog niet vervangen. Sintermethoden kunnen de grondstofkosten effectief verlagen en complexe grafietvormen mogelijk maken, waardoor aan uiteenlopende toepassingsbehoeften wordt voldaan. Bedrijven als AFTech, CGT Carbon GmbH en Toyo Tanso zijn volwassen gewordenTaC-coatingprocessen en domineren de markt.

In China is de ontwikkeling vanTaC-gecoate grafietcomponentenbevindt zich nog in de experimentele en vroege industrialisatiefase. Om de industrie vooruit te helpen, de huidige bereidingsmethoden te optimaliseren, nieuwe hoogwaardige TaC-coatingprocessen te verkennen en inzicht te verwervenTaC-coatingbeschermingsmechanismen en faalwijzen zijn essentieel. UitbreidenTaC-coatingtoepassingenvereist voortdurende innovatie van onderzoeksinstellingen en bedrijven. Naarmate de binnenlandse markt voor halfgeleiders van de derde generatie groeit, zal de vraag naar hoogwaardige coatings toenemen, waardoor binnenlandse alternatieven de toekomstige trend in de sector zullen worden.**