Zastosowanie części grafitowych pokrytych TaC w piecach monokrystalicznych

StosowanieCzęści grafitowe pokryte TaCw piecach monokrystalicznych

CZĘŚĆ 1

We wzroście monokryształów SiC i AlN metodą fizycznego transportu pary (PVT) kluczową rolę odgrywają kluczowe elementy, takie jak tygiel, pojemnik na nasiona i pierścień prowadzący. Jak pokazano na rysunku 2 [1], podczas procesu PVT kryształ zaszczepiający umieszczany jest w niższym obszarze temperatur, natomiast surowiec SiC poddawany jest działaniu wyższych temperatur (powyżej 2400 ℃). Prowadzi to do rozkładu surowca, w wyniku czego powstają związki SiXCy (w tym przede wszystkim Si, SiC₂, Si₂C itp.). Materiał w fazie gazowej jest następnie transportowany z obszaru wysokiej temperatury do kryształu zaszczepiającego w obszarze niskiej temperatury, co powoduje tworzenie się zarodków zaszczepiających, wzrost kryształów i wytwarzanie monokryształów. Dlatego materiały pola termicznego stosowane w tym procesie, takie jak tygiel, pierścień kierujący przepływ i uchwyt kryształów zaszczepiających, muszą wykazywać odporność na wysoką temperaturę bez zanieczyszczania surowców SiC i monokryształów. Podobnie elementy grzejne stosowane do wzrostu kryształów AlN muszą wytrzymywać korozję oparów Al i N₂, a jednocześnie posiadać wysoką temperaturę eutektyczną (z AlN), aby skrócić czas przygotowania kryształów.

Zaobserwowano, że wykorzystanie grafitowych materiałów pola termicznego pokrytych TaC do wytwarzania SiC [2-5] i AlN [2-3] skutkuje czystszymi produktami z minimalną zawartością węgla (tlenu, azotu) i innych zanieczyszczeń. Materiały te wykazują mniej wad krawędziowych i niższą rezystywność w każdym obszarze. Dodatkowo gęstość mikroporów i wgłębień trawiennych (po trawieniu KOH) ulega znacznemu zmniejszeniu, co prowadzi do znacznej poprawy jakości kryształów. Co więcej, tygiel TaC wykazuje niemal zerową utratę masy, zachowuje nieniszczący wygląd i może być poddawany recyklingowi (żywotność do 200 godzin), co zwiększa trwałość i wydajność procesów przygotowania monokryształów.

FIGA. 2. (a) Schematyczny diagram urządzenia do hodowli wlewków monokrystalicznych SiC metodą PVT

(b) Wspornik nasion pokryty górnym TaC (w tym nasiona SiC)

(c) Grafitowy pierścień prowadzący pokryty TAC

Epitaksjalny grzejnik warstwowy MOCVD GaN

CZĘŚĆ 2

W dziedzinie wzrostu GaN MOCVD (metaloorganiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej), kluczowej techniki epitaksjalnego wzrostu cienkich warstw z pary w wyniku reakcji rozkładu metaloorganicznego, grzejnik odgrywa kluczową rolę w osiągnięciu precyzyjnej kontroli temperatury i jednorodności w komorze reakcyjnej. Jak pokazano na rysunku 3 (a), grzejnik jest uważany za podstawowy element wyposażenia MOCVD. Jej zdolność do szybkiego i równomiernego podgrzewania podłoża przez dłuższy czas (w tym powtarzające się cykle chłodzenia), wytrzymywania wysokich temperatur (odporność na korozję gazową) i utrzymywania czystości powłoki ma bezpośredni wpływ na jakość osadzania powłoki, konsystencję grubości i wydajność wiórów.

Aby zwiększyć wydajność i efektywność recyklingu grzejników w systemach wzrostu MOCVD GaN, wprowadzenie grzejników grafitowych pokrytych TaC okazało się sukcesem. W przeciwieństwie do konwencjonalnych grzejników, które wykorzystują powłoki pBN (pirolityczny azotek boru), warstwy epitaksjalne GaN wyhodowane przy użyciu grzejników TaC wykazują prawie identyczne struktury krystaliczne, jednorodność grubości, powstawanie defektów wewnętrznych, domieszkowanie zanieczyszczeń i poziomy zanieczyszczeń. Co więcej, powłoka TaC wykazuje niską rezystywność i niską emisyjność powierzchni, co skutkuje lepszą wydajnością i równomiernością grzejnika, zmniejszając w ten sposób zużycie energii i straty ciepła. Kontrolując parametry procesu, można regulować porowatość powłoki, aby jeszcze bardziej poprawić charakterystykę radiacyjną grzejnika i wydłużyć jego żywotność [5]. Te zalety sprawiają, że grzejniki grafitowe pokryte TaC są doskonałym wyborem dla systemów wzrostu MOCVD GaN.

FIGA. 3. (a) Schemat ideowy urządzenia MOCVD do epitaksjalnego wzrostu GaN

(b) Odlewany grzejnik grafitowy pokryty TAC, zainstalowany w konfiguracji MOCVD, z wyłączeniem podstawy i wspornika (ilustracja przedstawiająca podstawę i wspornik w trybie ogrzewania)

( c ) Grzejnik grafitowy pokryty TAC po wzroście epitaksjalnym 17 GaN. 

Powlekany susceptor do epitaksji (nośnik wafla)

CZĘŚĆ/3

Nośnik płytki, kluczowy element konstrukcyjny stosowany w przygotowaniu płytek półprzewodnikowych trzeciej klasy, takich jak SiC, AlN i GaN, odgrywa istotną rolę w procesach epitaksjalnego wzrostu płytek. Zwykle wykonany z grafitu nośnik płytki jest pokryty SiC, aby był odporny na korozję powodowaną przez gazy technologiczne w zakresie temperatur epitaksjalnych od 1100 do 1600 °C. Odporność na korozję powłoki ochronnej znacząco wpływa na żywotność nośnika waflowego. Wyniki eksperymentów wykazały, że TaC wykazuje szybkość korozji około 6 razy wolniejszą niż SiC pod wpływem amoniaku w wysokiej temperaturze. W środowiskach wodoru o wysokiej temperaturze szybkość korozji TaC jest nawet ponad 10 razy wolniejsza niż SiC.

Dowody eksperymentalne wykazały, że tace pokryte TaC wykazują doskonałą kompatybilność w procesie GaN MOCVD w świetle niebieskim bez wprowadzania zanieczyszczeń. Przy ograniczonych dostosowaniach procesu diody LED hodowane przy użyciu nośników TaC wykazują porównywalną wydajność i jednorodność z diodami uprawianymi przy użyciu konwencjonalnych nośników SiC. W rezultacie żywotność nośników waflowych pokrytych TaC przewyższa trwałość nośników grafitowych niepowlekanych i pokrytych SiC.

Postać. Taca waflowa po użyciu w urządzeniu MOCVD hodowanym epitaksjalnie GaN (Veeco P75). Ten po lewej stronie jest pokryty TaC, a ten po prawej stronie jest pokryty SiC.

Sposób przygotowania powszechnyCzęści grafitowe pokryte TaC

CZĘŚĆ 1

Metoda CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej):

W temperaturze 900-2300℃, stosując TaCl5 i CnHm jako źródła tantalu i węgla, H₂ jako atmosferę redukującą, Ar₂ jako gaz nośny, warstwę osadzania reakcyjnego. Przygotowana powłoka jest zwarta, jednolita i ma wysoką czystość. Jednakże istnieją pewne problemy, takie jak skomplikowany proces, wysoki koszt, trudna kontrola przepływu powietrza i niska wydajność osadzania.

CZĘŚĆ 2

Metoda spiekania zawiesiny:

Zawiesina zawierająca źródło węgla, źródło tantalu, środek dyspergujący i spoiwo jest powlekana na graficie i po suszeniu spiekana w wysokiej temperaturze. Przygotowana powłoka rośnie bez regularnej orientacji, ma niski koszt i nadaje się do produkcji na dużą skalę. Pozostaje zbadać, czy można uzyskać jednolitą i pełną powłokę na dużym graficie, wyeliminować defekty podłoża i zwiększyć siłę wiązania powłoki.

CZĘŚĆ/3

Metoda natryskiwania plazmowego:

Proszek TaC topi się za pomocą łuku plazmowego w wysokiej temperaturze, atomizuje w kropelki o wysokiej temperaturze za pomocą strumienia o dużej prędkości i natryskuje na powierzchnię materiału grafitowego. W warunkach bezpróżniowych łatwo jest utworzyć warstwę tlenku, a zużycie energii jest duże.

Należy rozwiązać części grafitowe pokryte TaC

CZĘŚĆ 1

Siła wiązania:

Współczynnik rozszerzalności cieplnej i inne właściwości fizyczne TaC i materiałów węglowych są różne, siła wiązania powłoki jest niska, trudno jest uniknąć pęknięć, porów i naprężeń termicznych, a powłoka jest łatwa do odklejenia w rzeczywistej atmosferze zawierającej zgniliznę i wielokrotny proces wyrastania i chłodzenia.

CZĘŚĆ 2

Czystość:

Powłoka TaC musi charakteryzować się bardzo wysoką czystością, aby uniknąć zanieczyszczeń i zanieczyszczeń w warunkach wysokiej temperatury. Należy uzgodnić efektywne standardy zawartości i standardy charakterystyki wolnego węgla i wewnętrznych zanieczyszczeń na powierzchni i wewnątrz pełnej powłoki.

CZĘŚĆ/3

Stabilność:

Odporność na wysoką temperaturę i odporność na atmosferę chemiczną powyżej 2300 ℃ to najważniejsze wskaźniki sprawdzające stabilność powłoki. Otworki, pęknięcia, brakujące narożniki i granice ziaren o pojedynczej orientacji łatwo powodują przenikanie gazów korozyjnych i wnikanie w grafit, co powoduje uszkodzenie ochrony powłoki.

CZĘŚĆ/4

Odporność na utlenianie:

TaC zaczyna się utleniać do Ta2O5, gdy przekracza 500 ℃, a szybkość utleniania gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i stężenia tlenu. Utlenianie powierzchni rozpoczyna się od granic ziaren i małych ziaren i stopniowo tworzy kryształy kolumnowe i kryształy połamane, w wyniku czego powstaje duża liczba szczelin i dziur, a infiltracja tlenu nasila się aż do usunięcia powłoki. Powstała warstwa tlenku ma słabą przewodność cieplną i wygląd różnorodnych kolorów.

CZĘŚĆ/5

Jednorodność i szorstkość:

Nierównomierny rozkład powierzchni powłoki może prowadzić do miejscowej koncentracji naprężeń termicznych, zwiększając ryzyko pękania i odpryskiwania. Ponadto chropowatość powierzchni wpływa bezpośrednio na interakcję powłoki ze środowiskiem zewnętrznym, a zbyt duża chropowatość łatwo prowadzi do zwiększonego tarcia z płytką i nierównomiernego pola cieplnego.

CZĘŚĆ/6

Wielkość ziarna:

Jednolita wielkość ziaren pomaga zachować stabilność powłoki. Jeżeli wielkość ziaren jest mała, spoiwo nie jest szczelne, łatwo ulega utlenieniu i korozji, co skutkuje dużą liczbą pęknięć i dziur na krawędzi ziaren, co zmniejsza skuteczność ochronną powłoki. Jeśli wielkość ziarna jest zbyt duża, jest ona stosunkowo szorstka, a powłoka łatwo odpada pod wpływem stresu termicznego.

Wnioski i perspektywy

Ogólnie,Części grafitowe pokryte TaCna rynku istnieje ogromny popyt i szeroka gama perspektyw zastosowań, prądCzęści grafitowe pokryte TaCgłównym nurtem produkcji jest poleganie na komponentach CVD TaC. Jednakże ze względu na wysoki koszt sprzętu do produkcji CVD TaC i ograniczoną wydajność osadzania, tradycyjne materiały grafitowe powlekane SiC nie zostały całkowicie zastąpione. Metoda spiekania może skutecznie obniżyć koszty surowców i dostosować się do złożonych kształtów części grafitowych, aby zaspokoić potrzeby bardziej różnych scenariuszy zastosowań.