Предизвикателства при прилагане и разработка на графитни компоненти с TaC покритие

В контекста на растежа на пластини от силициев карбид (SiC), традиционните графитни материали и въглерод-въглеродните композити, използвани в термичното поле, са изправени пред значителни предизвикателства при издържането на сложната атмосфера при 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Тези материали не само имат кратък живот, изискващ подмяна на различни части след един до десет цикъла на пещта, но също така изпитват сублимация и изпаряване при високи температури. Това може да доведе до образуване на въглеродни включвания и други кристални дефекти. За да се осигури високо качество и стабилен растеж на полупроводникови кристали, като същевременно се вземат предвид разходите за промишлено производство, от съществено значение е да се подготвят ултрависокотемпературни и устойчиви на корозия керамични покрития върху графитни компоненти. Тези покрития удължават живота на графитните части, възпрепятстват миграцията на примеси и подобряват кристалната чистота. По време на SiC епитаксиален растеж, SiC-покрити графитни основи обикновено се използват за поддържане и нагряване на монокристални субстрати. Въпреки това, продължителността на живота на тези основи все още се нуждае от подобрение и те изискват периодично почистване, за да се премахнат SiC отлаганията от интерфейсите. За сравнение, танталКарбидни (TaC) покритияпредлагат превъзходна устойчивост на корозивни атмосфери и високи температури, което ги прави решаваща технология за постигане на оптимален растеж на SiC кристали.

С точка на топене 3880°C,TaCпоказва висока механична якост, твърдост и устойчивост на термичен шок. Поддържа отлична химическа инертност и термична стабилност при високотемпературни условия, включващи амоняк, водород и съдържащи силиций пари. Графитни (въглерод-въглеродни композитни) материали, покрити сTaCса многообещаващи като заместители на традиционните компоненти с графит с висока чистота, pBN покритие и SiC покритие. Освен това в космическата област,TaCима значителен потенциал за използване като покритие, устойчиво на високотемпературно окисляване и аблация, което предлага широки перспективи за приложение. Въпреки това, постигайки плътна, равномерна и нелющеща сеTaC покритиевърху графитни повърхности и насърчаването на производството му в промишлен мащаб представляват няколко предизвикателства. Разбирането на защитните механизми на покритието, иновативните производствени процеси и конкурирането с най-добрите международни стандарти са от решаващо значение за растежа и епитаксиалното развитие на трето поколение полупроводници.

В заключение, разработването и прилагането на графитни компоненти с покритие от TaC са от решаващо значение за напредъка на технологията за растеж на SiC пластини. Справяне с предизвикателствата вTaC покритиеподготовката и индустриализацията ще бъдат ключови за осигуряване на растеж на висококачествени полупроводникови кристали и разширяване на употребата наTaC покритияв различни високотемпературни приложения.

1. Приложение на графитни компоненти с TaC покритие

(1) Тигелът, държачът на зародишния кристал и тръбата за потокаPVT растеж на SiC и AlN монокристали

По време на метода за физически пренос на пари (PVT) за приготвяне на SiC, зародишният кристал се поставя в относително нискотемпературна зона, докато SiC суровината е във високотемпературна зона (над 2400°C). Суровината се разлага, за да се получат газообразни видове (SiXCy), които се транспортират от зоната с висока температура до зоната с ниска температура, където се намира зародишният кристал. Този процес, който включва нуклеация и растеж за образуване на единични кристали, изисква материали за топлинно поле като тигели, потокови пръстени и държачи на зародишни кристали, които са устойчиви на високи температури и не замърсяват SiC суровината и кристалите. Подобни изисквания съществуват за монокристалния растеж на AlN, където нагревателните елементи трябва да издържат на корозия на пара Al и N2 и да имат висока евтектична температура, за да съкратят цикъла на подготовка на кристалите.

Проучванията показват, че използването наГрафитни материали с TaC покритиев топлинното поле за получаване на SiC и AlN води до по-чисти кристали с по-малко въглеродни, кислородни и азотни примеси. Дефектите по ръбовете са сведени до минимум и съпротивлението в различните региони е значително намалено, заедно с плътността на микропорите и вдлъбнатините при ецване, което значително подобрява качеството на кристала. Освен това,TaCтигелът показва незначителна загуба на тегло и никакви повреди, което позволява повторна употреба (с продължителност на живота до 200 часа), повишавайки устойчивостта и ефективността на подготовката на единични кристали.

(2 ) Нагревателят в MOCVD GaN растеж на епитаксиален слой

Растежът на MOCVD GaN включва използване на технология за химическо отлагане на пари за епитаксиално отглеждане на тънки филми. Прецизността и равномерността на температурата в камерата правят нагревателя ключов компонент. Той трябва постоянно и равномерно да нагрява субстрата за дълги периоди и да поддържа стабилност при високи температури под въздействието на корозивни газове.

За подобряване на производителността и рециклируемостта на MOCVD GaN системния нагревател,Графит с TaC покритиенагреватели са успешно въведени. В сравнение с традиционните нагреватели с pBN покрития, TaC нагревателите показват сравними показатели по отношение на кристалната структура, еднородността на дебелината, присъщите дефекти, примесите и нивата на замърсяване. Ниското съпротивление и повърхностната излъчвателна способност наTaC покритиеподобрява ефективността и равномерността на нагревателя, като намалява консумацията на енергия и разсейването на топлината. Регулируемата порьозност на покритието допълнително подобрява характеристиките на излъчване на нагревателя и удължава живота му, което правиГрафит с TaC покритиенагреватели превъзходен избор за MOCVD GaN системи за растеж.

Фигура 2. (а) Схематична диаграма на апарата MOCVD за епитаксиален растеж на GaN

(b) Формован графитен нагревател с покритие от TaC, инсталиран в настройката на MOCVD, с изключение на основата и опорите (вмъкнатата част показва основата и опорите по време на нагряване)

(° С)Графитен нагревател с покритие от TaC след 17 цикъла на епитаксиален растеж на GaN

(3)Тави за епитаксиално покритие (носачи за вафли)

Носителите на пластини са критични структурни компоненти при подготовката и епитаксиалния растеж на полупроводникови пластини от трето поколение като SiC, AlN и GaN. Повечето носители за пластини са направени от графит и са покрити със SiC, за да издържат на корозия от технологични газове, работещи в температурен диапазон от 1100 до 1600°C. Антикорозионната способност на защитното покритие е от решаващо значение за живота на носача.

Изследванията показват, че скоростта на корозия на TaC е значително по-бавна от SiC във високотемпературна среда на амоняк и водород, което правиTaC покритиетарелки, по-съвместими с MOCVD процеси със син GaN и предотвратяващи въвеждането на примеси. LED производителност, увеличена с помощта наTaC носителие сравним с традиционните SiC носители, сTaC покритиетави, демонстриращи превъзходен живот.

Фигура 3. Вафли, използвани в оборудването MOCVD (Veeco P75) за епитаксиален растеж на GaN. Тавата отляво е покрита с TaC, докато тавата отдясно е покрита с SiC

2. Предизвикателства при графитните компоненти с TaC покритие

Адхезия:Разликата в коефициента на топлинно разширение междуTaCи въглеродните материали водят до ниска якост на адхезия на покритието, което го прави податливо на напукване, порьозност и термичен стрес, което може да доведе до разпадане на покритието при корозивни атмосфери и повтарящи се температурни цикли.

Чистота: TaC покритиятрябва да поддържа ултрависока чистота, за да избегне въвеждането на примеси при високи температури. Трябва да бъдат установени стандарти за оценка на свободния въглерод и присъщите примеси в покритието.

Стабилност:Устойчивостта на високи температури над 2300°C и химически атмосфери е критична. Дефекти като дупки, пукнатини и граници на монокристални зърна са податливи на инфилтрация на корозивни газове, което води до повреда на покритието.

Устойчивост на окисление:TaCзапочва да се окислява при температури над 500°C, образувайки Ta2O5. Степента на окисляване се увеличава с температурата и концентрацията на кислород, като се започне от границите на зърната и малките зърна, което води до значително разграждане на покритието и евентуално разпадане.

Еднородност и грапавост: Неравномерното разпределение на покритието може да причини локализиран топлинен стрес, увеличавайки риска от напукване и разцепване. Грапавостта на повърхността влияе върху взаимодействията с външната среда, като по-голямата грапавост води до повишено триене и неравномерни топлинни полета.

Размер на зърното:Еднаквият размер на зърната подобрява стабилността на покритието, докато по-малките зърна са склонни към окисление и корозия, което води до повишена порьозност и намалена защита. По-големите зърна могат да причинят счупване, предизвикано от топлинен стрес.

3. Заключение и перспектива

Графитните компоненти с TaC покритие имат значително пазарно търсене и широки перспективи за приложение. Основното производство наTaC покритияв момента разчита на CVD TaC компоненти, но високата цена и ограничената ефективност на отлагане на CVD оборудването все още не са заменили традиционните графитни материали с SiC покритие. Методите за синтероване могат ефективно да намалят разходите за суровини и да приспособят сложни графитни форми, отговаряйки на различни нужди на приложенията. Компании като AFTech, CGT Carbon GmbH и Toyo Tanso са зрелиTaC покритиеобработва и доминира на пазара.

В Китай развитието наГрафитни компоненти с TaC покритиевсе още е в етап на експериментална и ранна индустриализация. За напредък в индустрията, оптимизиране на настоящите методи за подготовка, изследване на нови висококачествени процеси за нанасяне на TaC покритие и разбиранеTaC покритиезащитните механизми и начините на отказ са от съществено значение. РазширяванеПриложения за TaC покритиеизисква непрекъснати иновации от изследователски институции и компании. Тъй като местният пазар на полупроводници от трето поколение расте, търсенето на високоефективни покрития ще се увеличи, превръщайки местните алтернативи в бъдеща тенденция в индустрията.**