Applikations- och utvecklingsutmaningar för TaC-belagda grafitkomponenter

I samband med kiselkarbid (SiC) wafertillväxt, möter traditionella grafitmaterial och kol-kol-kompositer som används inom det termiska området betydande utmaningar när det gäller att motstå den komplexa atmosfären vid 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Dessa material har inte bara en kort livslängd, vilket kräver utbyte av olika delar efter en till tio ugnscykler, utan upplever också sublimering och förångning vid höga temperaturer. Detta kan leda till bildandet av kolinneslutningar och andra kristalldefekter. För att säkerställa hög kvalitet och stabil tillväxt av halvledarkristaller med hänsyn till industriella produktionskostnader, är det viktigt att förbereda ultrahög temperatur och korrosionsbeständiga keramiska beläggningar på grafitkomponenter. Dessa beläggningar förlänger livslängden för grafitdelar, hämmar migration av föroreningar och förbättrar kristallrenheten. Under SiC epitaxiell tillväxt används SiC-belagda grafitbaser vanligtvis för att stödja och värma enkristallsubstrat. Livslängden för dessa baser behöver dock fortfarande förbättras, och de kräver periodisk rengöring för att avlägsna SiC-avlagringar från gränssnitten. I jämförelse, TantalKarbid (TaC) beläggningarerbjuder överlägsen motståndskraft mot korrosiva atmosfärer och höga temperaturer, vilket gör dem till en avgörande teknologi för att uppnå optimal SiC-kristalltillväxt.

Med en smältpunkt på 3880°C,TaCuppvisar hög mekanisk hållfasthet, hårdhet och motståndskraft mot termisk stöt. Den upprätthåller utmärkt kemisk tröghet och termisk stabilitet under höga temperaturer som involverar ammoniak, väte och kiselinnehållande ångor. Grafitmaterial (kol-kolkomposit) belagda medTaCär mycket lovande som ersättning för traditionell högren grafit, pBN-belagda och SiC-belagda komponenter. Dessutom, inom flyg- och rymdområdet,TaChar betydande potential för användning som en högtemperaturoxidationsbeständig och ablationsbeständig beläggning, vilket erbjuder breda tillämpningsmöjligheter. Men att uppnå en tät, enhetlig och icke-skalningTaC-beläggningpå grafitytor och att främja dess industriella produktion innebär flera utmaningar. Att förstå beläggningens skyddsmekanismer, innovativa produktionsprocesser och konkurrera med internationella toppstandarder är avgörande för tillväxten och epitaxiell utveckling av tredje generationens halvledare.

Sammanfattningsvis är utvecklingen och appliceringen av TaC-belagda grafitkomponenter avgörande för att utveckla SiC-wafertillväxtteknologi. Att ta itu med utmaningarna iTaC-beläggningförberedelse och industrialisering kommer att vara nyckeln till att säkerställa högkvalitativ tillväxt av halvledarkristaller och utöka användningen avTaC-beläggningari olika högtemperaturapplikationer.

1. Applicering av TaC-belagda grafitkomponenter

(1) Degeln, frökristallhållaren och flödesröret inPVT-tillväxt av SiC- och AlN-enkristaller

Under den fysiska ångtransportmetoden (PVT) för SiC-beredning placeras frökristallen i en relativt låg temperaturzon medan SiC-råvaran är i en högtemperaturzon (över 2400°C). Råmaterialet sönderdelas för att producera gasformiga arter (SiXCy), som transporteras från högtemperaturzonen till lågtemperaturzonen där frökristallen finns. Denna process, som inkluderar kärnbildning och tillväxt för att bilda enkristaller, kräver värmefältsmaterial som deglar, flödesringar och frökristallhållare som är resistenta mot höga temperaturer och inte förorenar SiC-råmaterialet och kristallerna. Liknande krav finns för AlN-enkristalltillväxt, där värmeelement måste motstå Al-ånga och N2-korrosion och ha en hög eutektisk temperatur för att förkorta kristallberedningscykeln.

Studier har visat att man använderTaC-belagda grafitmateriali värmefältet för SiC- och AlN-beredning resulterar i renare kristaller med färre kol-, syre- och kväveföroreningar. Kantdefekterna minimeras och resistiviteten över olika regioner reduceras avsevärt, tillsammans med mikropor- och etsgropstätheterna, vilket avsevärt förbättrar kristallkvaliteten. DessutomTaCDegeln visar försumbar viktminskning och inga skador, vilket möjliggör återanvändning (med en livslängd på upp till 200 timmar), vilket förbättrar hållbarheten och effektiviteten av enkristallberedning.

(2 ) Värmaren i MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

MOCVD GaN-tillväxt involverar användning av kemisk ångavsättningsteknik för att växa tunna filmer epitaxiellt. Precisionen och enhetligheten i kammartemperaturen gör värmaren till en avgörande komponent. Det måste konsekvent och likformigt värma substratet under långa perioder och bibehålla stabilitet vid höga temperaturer under korrosiva gaser.

För att förbättra prestandan och återvinningsbarheten för MOCVD GaN-systemvärmaren,TaC-belagd grafitvärmare har framgångsrikt introducerats. Jämfört med traditionella värmare med pBN-beläggningar visar TaC-värmare jämförbar prestanda i kristallstruktur, tjocklekslikformighet, inneboende defekter, föroreningsdopning och föroreningsnivåer. Den låga resistiviteten och ytemissionsförmågan hosTaC-beläggningförbättra värmarens effektivitet och enhetlighet, minska energiförbrukningen och värmeavledning. Beläggningens justerbara porositet förbättrar ytterligare värmarens strålningsegenskaper och förlänger dess livslängd, vilket görTaC-belagd grafitvärmare ett överlägset val för MOCVD GaN tillväxtsystem.

Figur 2. (a) Schematiskt diagram av MOCVD-apparaten för GaN epitaxiell tillväxt

(b) Formad TaC-belagd grafitvärmare installerad i MOCVD-installationen, exklusive basen och stöden (insatsen visar basen och stöden under uppvärmning)

(c)TaC-belagd grafitvärmare efter 17 cykler av GaN epitaxiell tillväxt

(3)Epitaxiella beläggningsbrickor (waferbärare)

Waferbärare är kritiska strukturella komponenter i beredningen och epitaxiell tillväxt av tredje generationens halvledarwafers som SiC, AlN och GaN. De flesta waferbärare är gjorda av grafit och belagda med SiC för att motstå korrosion från processgaser, som arbetar inom ett temperaturområde på 1100 till 1600°C. Den skyddande beläggningens anti-korrosionsförmåga är avgörande för bärarens livslängd.

Forskning visar att TaC:s korrosionshastighet är betydligt långsammare än SiC i ammoniak- och vätemiljöer med hög temperatur, vilket görTaC belagdbrickor mer kompatibla med blå GaN MOCVD-processer och förhindrar införande av föroreningar. LED-prestanda växt med hjälp avTaC-bärareär jämförbar med traditionella SiC-bärare, medTaC belagdbrickor som visar överlägsen livslängd.

Figur 3. Waferbrickor som används i MOCVD-utrustningen (Veeco P75) för GaN epitaxiell tillväxt. Brickan till vänster är belagd med TaC, medan brickan till höger är belagd med SiC

2. Utmaningar i TaC-belagda grafitkomponenter

Adhesion:Den termiska expansionskoefficienten skillnaden mellanTaCoch kolmaterial resulterar i låg beläggningsvidhäftningshållfasthet, vilket gör det benäget att spricka, porositet och termisk spänning, vilket kan leda till beläggningsspallring under korrosiva atmosfärer och upprepade temperaturcykler.

Renhet: TaC-beläggningarmåste bibehålla ultrahög renhet för att undvika att föroreningar införs vid höga temperaturer. Standarder för att utvärdera fritt kol och inneboende föroreningar i beläggningen måste fastställas.

Stabilitet:Beständighet mot höga temperaturer över 2300°C och kemiska atmosfärer är avgörande. Defekter som hål, sprickor och enkristallkornsgränser är känsliga för frätande gasinfiltration, vilket leder till beläggningsfel.

Oxidationsbeständighet:TaCbörjar oxidera vid temperaturer över 500°C och bildar Ta2O5. Oxidationshastigheten ökar med temperatur och syrekoncentration, med början från korngränser och små korn, vilket leder till betydande nedbrytning av beläggningen och eventuell spallation.

Enhetlighet och strävhet: Inkonsekvent beläggningsfördelning kan orsaka lokal termisk stress, vilket ökar risken för sprickor och sprickor. Ytjämnhet påverkar interaktioner med den yttre miljön, med högre ojämnhet som leder till ökad friktion och ojämna termiska fält.

Kornstorlek:Enhetlig kornstorlek förbättrar beläggningens stabilitet, medan mindre korn är benägna att oxidera och korrosion, vilket leder till ökad porositet och minskat skydd. Större korn kan orsaka spridning orsakad av termisk stress.

3. Slutsats och Outlook

TaC-belagda grafitkomponenter har betydande efterfrågan på marknaden och breda tillämpningsmöjligheter. Den vanliga produktionen avTaC-beläggningarförlitar sig för närvarande på CVD TaC-komponenter, men den höga kostnaden och begränsade avsättningseffektiviteten för CVD-utrustning har ännu inte ersatt traditionella SiC-belagda grafitmaterial. Sintringsmetoder kan effektivt sänka råmaterialkostnaderna och rymma komplexa grafitformer, vilket möter olika applikationsbehov. Företag som AFTech, CGT Carbon GmbH och Toyo Tanso har mognatTaC-beläggningprocesser och dominerar marknaden.

I Kina, utvecklingen avTaC-belagda grafitkomponenterär fortfarande i sina experimentella och tidiga industrialiseringsstadier. För att främja branschen, optimera nuvarande beredningsmetoder, utforska nya högkvalitativa TaC-beläggningsprocesser och förståelseTaC-beläggningskyddsmekanismer och fellägen är viktiga. ExpanderarTaC-beläggningsapplikationerkräver kontinuerlig innovation från forskningsinstitutioner och företag. När den inhemska tredje generationens halvledarmarknad växer kommer efterfrågan på högpresterande beläggningar att öka, vilket gör inhemska alternativ till den framtida industritrenden.**