Предизвици за примена и развој на компонентите од графит обложени TaC

Во контекст на растот на нафората од силициум карбид (SiC), традиционалните графитни материјали и јаглерод-јаглерод композити кои се користат во термичкото поле се соочуваат со значителни предизвици во издржувањето на сложената атмосфера на 2300°C (Si, SiC2, Si2C). Овие материјали не само што имаат краток век на траење, барајќи замена на различни делови по еден до десет циклуси на печката, туку и доживуваат сублимација и испарување на високи температури. Ова може да доведе до формирање на јаглеродни подмножества и други кристални дефекти. За да се обезбеди висок квалитет и стабилен раст на полупроводничките кристали, истовремено земајќи ги предвид трошоците за индустриско производство, од суштинско значење е да се подготват керамички облоги со ултра високи температури и отпорни на корозија на графитните компоненти. Овие облоги го продолжуваат животниот век на графитните делови, ја инхибираат миграцијата на нечистотиите и ја подобруваат чистотата на кристалите. За време на епитаксијалниот раст на SiC, графитните бази обложени со SiC обично се користат за поддршка и загревање на еднокристалните подлоги. Сепак, животниот век на овие бази сè уште треба да се подобри, и тие бараат периодично чистење за да се отстранат наслагите на SiC од интерфејсите. За споредба, ТанталКарбидни (TaC) облогинудат супериорна отпорност на корозивни атмосфери и високи температури, што ги прави клучна технологија за постигнување оптимален раст на SiC кристалите.

Со точка на топење од 3880°C,TaCпокажува висока механичка сила, цврстина и отпорност на термички шок. Одржува одлична хемиска инертност и топлинска стабилност при високи температурни услови кои вклучуваат амонијак, водород и пареа што содржат силициум. Графитни (јаглерод-јаглерод композитни) материјали обложени соTaCсе многу ветувачки како замена за традиционалните компоненти со графит со висока чистота, pBN-обложени и SiC-обложени компоненти. Дополнително, во воздушната област,TaCима значителен потенцијал за употреба како облога отпорна на оксидација и отпорна на аблација на висока температура, нудејќи широки можности за примена. Сепак, постигнување на густа, униформа, и не-лупењеTaC облогана графитни површини и промовирање на неговото производство во индустриски размери претставува неколку предизвици. Разбирањето на заштитните механизми на облогата, иновативните производствени процеси и конкуренцијата со врвните меѓународни стандарди се клучни за растот и епитаксиалниот развој на полупроводниците од третата генерација.

Како заклучок, развојот и примената на компонентите од графит обложени со TaC се од клучно значење за унапредување на технологијата за раст на нафора за SiC. Решавање на предизвиците воTaC облогаподготовката и индустријализацијата ќе бидат клучни за обезбедување висококвалитетен раст на полупроводничките кристали и проширување на употребата наTaC облогиво различни апликации на високи температури.

1. Примена на TaC обложени графитни компоненти

(1) Распоредот, држачот за семе кристал и цевката за проток воPVT раст на SiC и AlN единечни кристали

За време на методот за транспорт на физичка пареа (PVT) за подготовка на SiC, семениот кристал се става во зона со релативно ниска температура, додека суровината на SiC е во зона со висока температура (над 2400°C). Суровината се распаѓа и произведува гасовити видови (SiXCy), кои се транспортираат од зоната на висока температура до зоната на ниска температура каде што се наоѓа семениот кристал. Овој процес, кој вклучува нуклеација и раст за да се формираат единечни кристали, бара материјали на топлинско поле како што се садници, течни прстени и држачи за семе кристали кои се отпорни на високи температури и не ја загадуваат суровината и кристалите SiC. Слични барања постојат за растот на еднокристалот AlN, каде што грејните елементи мора да се спротивстават на пареата на Al и N2 корозија и да имаат висока еутектичка температура за да се скрати циклусот на подготовка на кристалите.

Истражувањата покажаа дека користењетоГрафитни материјали обложени со TaCво топлинското поле за подготовка на SiC и AlN резултира со почисти кристали со помалку нечистотии од јаглерод, кислород и азот. Дефектите на рабовите се минимизирани, а отпорноста низ различни региони е значително намалена, заедно со густината на микропорите и на јамата за гравирање, што значително го подобрува квалитетот на кристалите. Понатаму, наTaCсадот покажува занемарливо губење на тежината и нема оштетувања, што овозможува повторна употреба (со животен век до 200 часа), што ја подобрува одржливоста и ефикасноста на подготовката со еден кристал.

(2 ) Грејачот во MOCVD GaN Епитаксијален раст на слојот

Растот на MOCVD GaN вклучува употреба на технологија за хемиско таложење на пареа за епитаксално растење на тенки филмови. Прецизноста и униформноста на температурата на комората го прават грејачот клучна компонента. Мора постојано и рамномерно да ја загрева подлогата на долги периоди и да одржува стабилност при високи температури под корозивни гасови.

За да се подобрат перформансите и рециклирањето на системскиот грејач MOCVD GaN,Графит обложен со TaCгреалки се успешно воведени. Во споредба со традиционалните грејачи со pBN премази, TaC грејачите покажуваат споредливи перформанси во кристалната структура, униформноста на дебелината, внатрешните дефекти, допингот со нечистотии и нивоата на контаминација. Ниската отпорност и површинската емисивност наTaC облогаподобрување на ефикасноста и униформноста на грејачот, намалувајќи ја потрошувачката на енергија и дисипацијата на топлина. Прилагодливата порозност на облогата дополнително ги подобрува карактеристиките на зрачење на грејачот и го продолжува неговиот животен век, со штоГрафит обложен со TaCгрејачи супериорен избор за системите за раст MOCVD GaN.

Слика 2. (а) Шематски дијаграм на апаратот MOCVD за GaN епитаксијален раст

(б) Формиран графитен грејач обложен со TaC, инсталиран во поставувањето MOCVD, со исклучок на основата и потпорите (влезот ги прикажува основата и потпорите за време на загревањето)

(в)Графит грејач обложен со TaC по 17 циклуси на епитаксијален раст на GaN

(3)Епитаксијални фиоки за обложување (носачи на нафора)

Носачите на нафора се критични структурни компоненти во подготовката и епитаксиалниот раст на полупроводничките обланди од третата генерација како што се SiC, AlN и GaN. Повеќето носачи на обланди се направени од графит и обложени со SiC за да се спротивстават на корозија од процесните гасови, кои работат во температурен опсег од 1100 до 1600°C. Способноста против корозија на заштитната обвивка е клучна за животниот век на носачот.

Истражувањата покажуваат дека стапката на корозија на TaC е значително побавна од SiC во средини со висока температура на амонијак и водород, што правиTaC обложенафиоки се покомпатибилни со сините GaN MOCVD процеси и спречуваат внесување нечистотии. LED перформанси расте со користењеTaC носителие споредлив со традиционалните носители на SiC, соTaC обложенафиоки кои покажуваат супериорен животен век.

Слика 3. Послужавници за нафора што се користат во опремата MOCVD (Veeco P75) за епитаксијален раст на GaN. Фиоката од левата страна е обложена со TaC, додека фиоката од десната страна е обложена со SiC

2. Предизвици во TaC обложени графитни компоненти

Адхезија:Разликата во коефициентот на термичка експанзија помеѓуTaCи јаглеродните материјали резултираат со ниска цврстина на адхезија на облогата, што го прави подложен на пукање, порозност и термички стрес, што може да доведе до распрскување на облогата под корозивни атмосфери и повторено температурно цикирање.

Чистота: TaC облогимора да одржува ултра висока чистота за да се избегне внесување нечистотии на високи температури. Треба да се утврдат стандарди за проценка на слободниот јаглерод и внатрешните нечистотии во облогата.

Стабилност:Отпорноста на високи температури над 2300°C и хемиски атмосфери е критична. Дефектите како што се дупчињата, пукнатините и границите на единечни кристални зрна се подложни на инфилтрација на корозивен гас, што доведува до дефект на облогата.

Отпорност на оксидација:TaCпочнува да оксидира на температури над 500°C, формирајќи Ta2O5. Стапката на оксидација се зголемува со температурата и концентрацијата на кислород, почнувајќи од границите на зрната и ситните зрна, што доведува до значително деградирање на облогата и евентуално распрскување.

Еднообразност и грубост: Неконзистентната распределба на облогата може да предизвика локализиран термички стрес, зголемувајќи го ризикот од пукање и распрскување. Грубоста на површината влијае на интеракциите со надворешното опкружување, при што поголемата грубост доведува до зголемено триење и нерамномерни термички полиња.

Големина на зрно:Еднообразната големина на зрната ја подобрува стабилноста на облогата, додека помалите зрна се подложни на оксидација и корозија, што доведува до зголемена порозност и намалена заштита. Поголемите зрна може да предизвикаат распрскување предизвикано од термички стрес.

3. Заклучок и Outlook

Графитните компоненти обложени со TaC имаат значителна побарувачка на пазарот и широки изгледи за примена. Мејнстрим производството наTaC облогимоментално се потпира на CVD TaC компонентите, но високата цена и ограничената ефикасност на таложење на опремата за CVD сè уште не ги замениле традиционалните графитни материјали обложени со SiC. Методите на синтерување можат ефикасно да ги намалат трошоците за суровините и да приспособат сложени форми на графит, задоволувајќи ги различните потреби за примена. Компаниите како AFTech, CGT Carbon GmbH и Toyo Tanso се созреаниTaC облогапроцесира и доминира на пазарот.

Во Кина, развојот наTaC обложени графитни компонентисе уште е во експериментална и рана фаза на индустријализација. За унапредување на индустријата, оптимизирање на тековните методи на подготовка, истражување на нови висококвалитетни процеси на обложување TaC и разбирањеTaC облогамеханизмите за заштита и начините на неуспех се од суштинско значење. ПроширувањеАпликации за обложување TaCбара континуирани иновации од истражувачките институции и компании. Како што расте домашниот пазар на полупроводници од трета генерација, побарувачката за премази со високи перформанси ќе се зголеми, што ќе ги направи домашните алтернативи идниот тренд на индустријата.**