Προκλήσεις εφαρμογής και ανάπτυξης εξαρτημάτων γραφίτη με επικάλυψη TaC

Στο πλαίσιο της ανάπτυξης πλακιδίων καρβιδίου του πυριτίου (SiC), τα παραδοσιακά υλικά γραφίτη και τα σύνθετα υλικά άνθρακα-άνθρακα που χρησιμοποιούνται στο θερμικό πεδίο αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις όσον αφορά την αντοχή στη σύνθετη ατμόσφαιρα στους 2300°C (Si, SiC2, Si2C). Αυτά τα υλικά όχι μόνο έχουν μικρή διάρκεια ζωής, απαιτώντας αντικατάσταση διαφορετικών εξαρτημάτων μετά από έναν έως δέκα κύκλους κλιβάνου, αλλά επίσης παρουσιάζουν εξάχνωση και εξάτμιση σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό εγκλεισμάτων άνθρακα και άλλων κρυσταλλικών ελαττωμάτων. Για να εξασφαλιστεί η υψηλή ποιότητα και η σταθερή ανάπτυξη των κρυστάλλων ημιαγωγών, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος βιομηχανικής παραγωγής, είναι απαραίτητο να προετοιμαστούν κεραμικές επικαλύψεις εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας και ανθεκτικότητας στη διάβρωση σε εξαρτήματα γραφίτη. Αυτές οι επικαλύψεις παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των τμημάτων γραφίτη, αναστέλλουν τη μετανάστευση ακαθαρσιών και ενισχύουν την καθαρότητα των κρυστάλλων. Κατά τη διάρκεια της επιταξιακής ανάπτυξης SiC, οι βάσεις γραφίτη επικαλυμμένες με SiC χρησιμοποιούνται συνήθως για τη στήριξη και τη θέρμανση μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής αυτών των βάσεων χρειάζεται ακόμα βελτίωση και απαιτούν περιοδικό καθαρισμό για την απομάκρυνση των εναποθέσεων SiC από τις διεπαφές. Συγκριτικά, ταντάλιοΕπιστρώσεις καρβιδίου (TaC).προσφέρουν ανώτερη αντοχή σε διαβρωτικές ατμόσφαιρες και υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τα μια τεχνολογία ζωτικής σημασίας για την επίτευξη βέλτιστης ανάπτυξης κρυστάλλων SiC.

Με σημείο τήξης 3880°C,TaCπαρουσιάζει υψηλή μηχανική αντοχή, σκληρότητα και αντοχή σε θερμικό σοκ. Διατηρεί εξαιρετική χημική αδράνεια και θερμική σταθερότητα κάτω από συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας που περιλαμβάνουν αμμωνία, υδρογόνο και ατμούς που περιέχουν πυρίτιο. Υλικά γραφίτη (σύνθετα άνθρακα-άνθρακα) επικαλυμμένα μεTaCείναι πολλά υποσχόμενα ως αντικαταστάσεις για παραδοσιακά συστατικά γραφίτη υψηλής καθαρότητας, επικαλυμμένα με pBN και επικαλυμμένα με SiC συστατικά. Επιπλέον, στον αεροδιαστημικό τομέα,TaCέχει σημαντικές δυνατότητες χρήσης ως επίστρωμα ανθεκτικό στην οξείδωση και στην αφαίρεση σε υψηλή θερμοκρασία, προσφέροντας ευρείες προοπτικές εφαρμογής. Ωστόσο, επιτυγχάνοντας ένα πυκνό, ομοιόμορφο, και μη ξεφλουδισμένοΕπικάλυψη TaCσε επιφάνειες γραφίτη και η προώθηση της παραγωγής της σε βιομηχανική κλίμακα παρουσιάζει αρκετές προκλήσεις. Η κατανόηση των προστατευτικών μηχανισμών της επίστρωσης, η καινοτομία των διαδικασιών παραγωγής και ο ανταγωνισμός με κορυφαία διεθνή πρότυπα είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και την επιταξιακή ανάπτυξη των ημιαγωγών τρίτης γενιάς.

Συμπερασματικά, η ανάπτυξη και η εφαρμογή εξαρτημάτων γραφίτη με επικάλυψη TaC είναι κρίσιμης σημασίας για την προώθηση της τεχνολογίας ανάπτυξης πλακιδίων SiC. Αντιμετώπιση των προκλήσεων σεΕπικάλυψη TaCη προετοιμασία και η εκβιομηχάνιση θα είναι το κλειδί για τη διασφάλιση υψηλής ποιότητας ανάπτυξης κρυστάλλων ημιαγωγών και την επέκταση της χρήσηςΕπιστρώσεις TaCσε διάφορες εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες.

1. Εφαρμογή εξαρτημάτων γραφίτη με επικάλυψη TaC

(1) Το χωνευτήριο, η θήκη κρυστάλλων σπόρων και ο σωλήνας ροής μέσαPVT Ανάπτυξη μονοκρυστάλλων SiC και AlN

Κατά τη διάρκεια της μεθόδου μεταφοράς φυσικού ατμού (PVT) για την παρασκευή του SiC, ο κρύσταλλος των σπόρων τοποθετείται σε μια ζώνη σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας ενώ η πρώτη ύλη SiC σε μια ζώνη υψηλής θερμοκρασίας (πάνω από 2400°C). Η πρώτη ύλη αποσυντίθεται για να παράγει αέρια είδη (SiXCy), τα οποία μεταφέρονται από τη ζώνη υψηλής θερμοκρασίας στη ζώνη χαμηλής θερμοκρασίας όπου βρίσκεται ο κρύσταλλος των σπόρων. Αυτή η διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει πυρήνωση και ανάπτυξη για σχηματισμό μονοκρυστάλλων, απαιτεί υλικά θερμικού πεδίου όπως χωνευτήρια, δακτυλίους ροής και συγκρατητές κρυστάλλων σπόρων που είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και δεν μολύνουν την πρώτη ύλη και τους κρυστάλλους SiC. Παρόμοιες απαιτήσεις υπάρχουν για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλου AlN, όπου τα θερμαντικά στοιχεία πρέπει να ανθίστανται στους ατμούς Al και στη διάβρωση N2 και να έχουν υψηλή ευτηκτική θερμοκρασία για να συντομεύσει τον κύκλο προετοιμασίας των κρυστάλλων.

Μελέτες έχουν δείξει ότι η χρήσηΥλικά γραφίτη επικαλυμμένα με TaCστο θερμικό πεδίο για την παρασκευή SiC και AlN οδηγεί σε καθαρότερους κρυστάλλους με λιγότερους προσμίξεις άνθρακα, οξυγόνου και αζώτου. Τα ελαττώματα των άκρων ελαχιστοποιούνται και η ειδική αντίσταση σε διαφορετικές περιοχές μειώνεται σημαντικά, μαζί με τις πυκνότητες των μικροπόρων και των κοιλοτήτων χάραξης, βελτιώνοντας σημαντικά την ποιότητα των κρυστάλλων. Επιπλέον, τοTaCΤο χωνευτήρι παρουσιάζει αμελητέα απώλεια βάρους και καμία ζημιά, επιτρέποντας την επαναχρησιμοποίηση (με διάρκεια ζωής έως και 200 ​​ώρες), ενισχύοντας τη βιωσιμότητα και την αποτελεσματικότητα του μονοκρυσταλλικού παρασκευάσματος.

(2 ) Ο θερμαντήρας στο MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

Η ανάπτυξη MOCVD GaN περιλαμβάνει τη χρήση τεχνολογίας εναπόθεσης χημικών ατμών για την επιταξιακή ανάπτυξη λεπτών μεμβρανών. Η ακρίβεια και η ομοιομορφία της θερμοκρασίας του θαλάμου καθιστούν τον θερμαντήρα ένα κρίσιμο στοιχείο. Πρέπει να θερμαίνει σταθερά και ομοιόμορφα το υπόστρωμα για μεγάλες περιόδους και να διατηρεί σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες κάτω από διαβρωτικά αέρια.

Για τη βελτίωση της απόδοσης και της δυνατότητας ανακύκλωσης του θερμαντήρα συστήματος MOCVD GaN,Γραφίτης με επίστρωση TaCοι θερμαντήρες έχουν εισαχθεί με επιτυχία. Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς θερμαντήρες με επιστρώσεις pBN, οι θερμαντήρες TaC παρουσιάζουν συγκρίσιμες επιδόσεις σε κρυσταλλική δομή, ομοιομορφία πάχους, εγγενή ελαττώματα, ντόπινγκ ακαθαρσιών και επίπεδα μόλυνσης. Η χαμηλή ειδική αντίσταση και η επιφανειακή εκπομπή τουΕπικάλυψη TaCβελτιώνουν την απόδοση και την ομοιομορφία του θερμαντήρα, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας και την απαγωγή θερμότητας. Το ρυθμιζόμενο πορώδες της επίστρωσης βελτιώνει περαιτέρω τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας του θερμαντήρα και παρατείνει τη διάρκεια ζωής του, κάνονταςΓραφίτης με επίστρωση TaCθερμαντήρες μια ανώτερη επιλογή για συστήματα ανάπτυξης MOCVD GaN.

Σχήμα 2. (α) Σχηματικό διάγραμμα της συσκευής MOCVD για επιταξιακή ανάπτυξη GaN

(β) Σχηματισμένος θερμαντήρας γραφίτη με επίστρωση TaC που είναι εγκατεστημένος στη διάταξη MOCVD, εξαιρουμένων της βάσης και των στηρίξεων (το ένθετο δείχνει τη βάση και τα στηρίγματα κατά τη θέρμανση)

(ντο)Θερμαντήρας γραφίτη με επίστρωση TaC μετά από 17 κύκλους επιταξιακής ανάπτυξης GaN

(3)Επιταξικοί Δίσκοι Επικάλυψης (Φορείς Γκοφρέτας)

Οι φορείς πλακιδίων είναι κρίσιμα δομικά συστατικά για την παρασκευή και την επιταξιακή ανάπτυξη γκοφρετών ημιαγωγών τρίτης γενιάς όπως SiC, AlN και GaN. Οι περισσότεροι φορείς πλακών είναι κατασκευασμένοι από γραφίτη και επικαλυμμένοι με SiC για να αντιστέκονται στη διάβρωση από τα αέρια διεργασίας, λειτουργώντας σε ένα εύρος θερμοκρασίας από 1100 έως 1600°C. Η αντιδιαβρωτική ικανότητα της προστατευτικής επίστρωσης είναι ζωτικής σημασίας για τη διάρκεια ζωής του φορέα.

Η έρευνα δείχνει ότι ο ρυθμός διάβρωσης του TaC είναι σημαντικά πιο αργός από το SiC σε περιβάλλοντα αμμωνίας και υδρογόνου υψηλής θερμοκρασίας, κάνονταςΕπικάλυψη TaCδίσκοι πιο συμβατοί με τις μπλε διαδικασίες GaN MOCVD και αποτρέπουν την εισαγωγή ακαθαρσιών. Απόδοση LED που αναπτύσσεται με χρήσηΦορείς TaCείναι συγκρίσιμο με τους παραδοσιακούς φορείς SiC, με τοΕπικάλυψη TaCδίσκοι που επιδεικνύουν ανώτερη διάρκεια ζωής.

Εικόνα 3. Δίσκοι γκοφρέτας που χρησιμοποιούνται στον εξοπλισμό MOCVD (Veeco P75) για επιταξιακή ανάπτυξη GaN. Ο δίσκος στα αριστερά είναι επικαλυμμένος με TaC, ενώ ο δίσκος στα δεξιά είναι επικαλυμμένος με SiC

2. Προκλήσεις σε εξαρτήματα γραφίτη με επικάλυψη TaC

Προσκόλληση:Η διαφορά του συντελεστή θερμικής διαστολής μεταξύTaCκαι τα υλικά άνθρακα έχουν ως αποτέλεσμα χαμηλή αντοχή στην πρόσφυση της επίστρωσης, καθιστώντας την επιρρεπή σε ρωγμές, πορώδες και θερμική καταπόνηση, που μπορεί να οδηγήσει σε θραύση της επίστρωσης σε διαβρωτικές ατμόσφαιρες και επαναλαμβανόμενο κύκλο θερμοκρασίας.

Καθαρότητα: Επιστρώσεις TaCπρέπει να διατηρεί εξαιρετικά υψηλή καθαρότητα για να αποφευχθεί η εισαγωγή ακαθαρσιών σε υψηλές θερμοκρασίες. Πρέπει να καθιερωθούν πρότυπα για την αξιολόγηση του ελεύθερου άνθρακα και των εγγενών ακαθαρσιών εντός της επικάλυψης.

Σταθερότητα:Η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες άνω των 2300°C και χημικές ατμόσφαιρες είναι κρίσιμη. Ελαττώματα όπως τρύπες καρφίτσας, ρωγμές και όρια κόκκων μονοκρυστάλλου είναι επιρρεπή σε διείσδυση διαβρωτικού αερίου, οδηγώντας σε αστοχία επίστρωσης.

Αντίσταση στην οξείδωση:TaCαρχίζει να οξειδώνεται σε θερμοκρασίες άνω των 500°C, σχηματίζοντας Ta2O5. Ο ρυθμός οξείδωσης αυξάνεται με τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση οξυγόνου, ξεκινώντας από τα όρια των κόκκων και τους μικρούς κόκκους, οδηγώντας σε σημαντική υποβάθμιση της επικάλυψης και σε τελική θραύση.

Ομοιομορφία και τραχύτητα: Η ασυνεπής κατανομή της επίστρωσης μπορεί να προκαλέσει τοπική θερμική καταπόνηση, αυξάνοντας τον κίνδυνο ρωγμών και θραύσης. Η τραχύτητα της επιφάνειας επηρεάζει τις αλληλεπιδράσεις με το εξωτερικό περιβάλλον, με την υψηλότερη τραχύτητα να οδηγεί σε αυξημένη τριβή και ανομοιόμορφα θερμικά πεδία.

Μέγεθος κόκκου:Το ομοιόμορφο μέγεθος κόκκων ενισχύει τη σταθερότητα της επίστρωσης, ενώ οι μικρότεροι κόκκοι είναι επιρρεπείς σε οξείδωση και διάβρωση, οδηγώντας σε αυξημένο πορώδες και μειωμένη προστασία. Οι μεγαλύτεροι κόκκοι μπορούν να προκαλέσουν θρυμματισμό που προκαλείται από θερμική καταπόνηση.

3. Συμπέρασμα και Outlook

Τα εξαρτήματα γραφίτη με επίστρωση TaC έχουν σημαντική ζήτηση στην αγορά και ευρείες προοπτικές εφαρμογής. Η κύρια παραγωγή τουΕπιστρώσεις TaCεπί του παρόντος βασίζεται σε συστατικά CVD TaC, αλλά το υψηλό κόστος και η περιορισμένη απόδοση εναπόθεσης του εξοπλισμού CVD δεν έχουν ακόμη αντικαταστήσει τα παραδοσιακά υλικά γραφίτη με επικάλυψη SiC. Οι μέθοδοι πυροσυσσωμάτωσης μπορούν να μειώσουν αποτελεσματικά το κόστος των πρώτων υλών και να φιλοξενήσουν πολύπλοκα σχήματα γραφίτη, καλύπτοντας διαφορετικές ανάγκες εφαρμογής. Εταιρείες όπως η AFTech, η CGT Carbon GmbH και η Toyo Tanso έχουν ωριμάσειΕπικάλυψη TaCδιεργασιών και κυριαρχούν στην αγορά.

Στην Κίνα, η ανάπτυξη τουΣτοιχεία γραφίτη με επικάλυψη TaCβρίσκεται ακόμη στα πειραματικά και πρώιμα στάδια εκβιομηχάνισής του. Για την προώθηση της βιομηχανίας, βελτιστοποιώντας τις τρέχουσες μεθόδους προετοιμασίας, εξερευνώντας νέες υψηλής ποιότητας διαδικασίες επίστρωσης TaC και κατανόησηΕπικάλυψη TaCΟι μηχανισμοί προστασίας και οι τρόποι αστοχίας είναι απαραίτητοι. ΕπέκτασηΕφαρμογές επίστρωσης TaCαπαιτεί συνεχή καινοτομία από ερευνητικά ιδρύματα και εταιρείες. Καθώς η εγχώρια αγορά ημιαγωγών τρίτης γενιάς μεγαλώνει, η ζήτηση για επιστρώσεις υψηλής απόδοσης θα αυξηθεί, καθιστώντας τις εγχώριες εναλλακτικές λύσεις στη μελλοντική τάση της βιομηχανίας.**