Aplicarea pieselor de grafit acoperite cu TaC în cuptoare cu un singur cristal

AplicareaPiese din grafit acoperite cu TaCîn Cuptoare cu un singur cristal

PARTEA 1

În creșterea monocristalelor de SiC și AlN folosind metoda transportului fizic al vaporilor (PVT), componentele cruciale precum creuzetul, suportul pentru semințe și inelul de ghidare joacă un rol vital. După cum este descris în Figura 2 [1], în timpul procesului PVT, cristalul de sămânță este poziționat în regiunea cu temperatură mai joasă, în timp ce materia primă SiC este expusă la temperaturi mai ridicate (peste 2400 ℃). Acest lucru duce la descompunerea materiei prime, producând compuși SiXCy (incluzând în primul rând Si, SiC₂, Si₂C etc.). Materialul în fază de vapori este apoi transportat din regiunea de temperatură înaltă la cristalul de însămânțare din regiunea de temperatură scăzută, rezultând formarea nucleelor ​​de semințe, creșterea cristalelor și generarea de cristale simple. Prin urmare, materialele de câmp termic utilizate în acest proces, cum ar fi creuzetul, inelul de ghidare a fluxului și suportul pentru cristale de semințe, trebuie să prezinte rezistență la temperatură ridicată fără a contamina materiile prime SiC și monocristalele. În mod similar, elementele de încălzire utilizate în creșterea cristalelor de AlN trebuie să reziste la vapori de Al și la coroziune cu N₂, având în același timp o temperatură eutectică ridicată (cu AlN) pentru a reduce timpul de pregătire a cristalului.

S-a observat că utilizarea materialelor de câmp termic de grafit acoperite cu TaC pentru prepararea SiC [2-5] și AlN [2-3] are ca rezultat produse mai curate cu carbon minim (oxigen, azot) și alte impurități. Aceste materiale prezintă mai puține defecte de margine și rezistivitate mai mică în fiecare regiune. În plus, densitatea microporilor și a gropilor de gravare (după gravarea KOH) este redusă semnificativ, ceea ce duce la o îmbunătățire substanțială a calității cristalului. În plus, creuzetul TaC demonstrează o pierdere în greutate aproape zero, menține un aspect nedistructiv și poate fi reciclat (cu o durată de viață de până la 200 de ore), sporind astfel durabilitatea și eficiența proceselor de preparare a monocristalului.

SMOCHIN. 2. (a) Diagrama schematică a dispozitivului de creștere a lingoului monocristal de SiC prin metoda PVT

(b) Suport superior pentru semințe acoperit cu TaC (inclusiv semințe de SiC)

(c) Inel de ghidare din grafit acoperit cu TAC

Încălzitor de creștere a stratului epitaxial MOCVD GaN

PARTEA 2

În domeniul creșterii MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) GaN, o tehnică crucială pentru creșterea epitaxială de vapori a peliculelor subțiri prin reacții de descompunere organometalice, încălzitorul joacă un rol vital în obținerea controlului precis al temperaturii și uniformității în camera de reacție. După cum este ilustrat în Figura 3 (a), încălzitorul este considerat componenta de bază a echipamentului MOCVD. Capacitatea sa de a încălzi rapid și uniform substratul pe perioade lungi (inclusiv cicluri repetate de răcire), de a rezista la temperaturi înalte (rezistând la coroziunea gazelor) și de a menține puritatea filmului are un impact direct asupra calității depunerii peliculei, consistența grosimii și performanța așchiilor.

Pentru a îmbunătăți performanța și eficiența de reciclare a încălzitoarelor în sistemele de creștere MOCVD GaN, introducerea încălzitoarelor de grafit acoperite cu TaC a avut succes. Spre deosebire de încălzitoarele convenționale care utilizează acoperiri pBN (nitrură de bor pirolitică), straturile epitaxiale GaN crescute folosind încălzitoare TaC prezintă structuri cristaline aproape identice, uniformitate a grosimii, formarea defectelor intrinseci, dopaje de impurități și niveluri de contaminare. În plus, acoperirea TaC demonstrează rezistivitate scăzută și emisivitate scăzută a suprafeței, rezultând o eficiență și uniformitate îmbunătățite a încălzitorului, reducând astfel consumul de energie și pierderile de căldură. Prin controlul parametrilor procesului, porozitatea acoperirii poate fi ajustată pentru a îmbunătăți și mai mult caracteristicile de radiație ale încălzitorului și pentru a prelungi durata de viață a acestuia [5]. Aceste avantaje stabilesc încălzitoarele de grafit acoperite cu TaC ca o alegere excelentă pentru sistemele de creștere MOCVD GaN.

SMOCHIN. 3. (a) Diagrama schematică a dispozitivului MOCVD pentru creșterea epitaxială GaN

(b) Încălzitor din grafit acoperit cu TAC turnat instalat în configurația MOCVD, excluzând baza și suportul (ilustrația care arată baza și suportul la încălzire)

( c ) Încălzitor de grafit acoperit cu TAC după creșterea epitaxială de 17 GaN. 

Susceptor acoperit pentru epitaxie (purtător de napolitane)

PARTEA/3

Purtătorul de plachete, o componentă structurală crucială utilizată în prepararea plachetelor semiconductoare de clasa a treia, cum ar fi SiC, AlN și GaN, joacă un rol vital în procesele de creștere a plachetelor epitaxiale. Fabricat în mod obișnuit din grafit, suportul pentru plachetă este acoperit cu SiC pentru a rezista la coroziune de la gazele de proces într-un interval de temperatură epitaxială de la 1100 la 1600 °C. Rezistența la coroziune a stratului de protecție are un impact semnificativ asupra duratei de viață a suportului de napolitană. Rezultatele experimentale au arătat că TaC prezintă o viteză de coroziune de aproximativ 6 ori mai lentă decât SiC atunci când este expus la amoniac la temperatură înaltă. În mediile cu hidrogen la temperatură înaltă, viteza de coroziune a TaC este chiar de peste 10 ori mai lentă decât SiC.

Dovezile experimentale au demonstrat că tăvile acoperite cu TaC prezintă o compatibilitate excelentă în procesul GaN MOCVD cu lumină albastră fără a introduce impurități. Cu ajustări limitate ale procesului, LED-urile cultivate folosind purtători TaC demonstrează performanță și uniformitate comparabile cu cele cultivate folosind purtători SiC convenționali. În consecință, durata de viață a suporturilor de placă acoperite cu TaC o depășește pe cea a suporturilor de grafit neacoperite și acoperite cu SiC.

Figura. Tavă pentru napolitane după utilizare în dispozitivul MOCVD crescut epitaxial GaN (Veeco P75). Cel din stânga este acoperit cu TaC iar cel din dreapta este acoperit cu SiC.

Metoda de preparare a comunuluiPiese de grafit acoperite cu TaC

PARTEA 1

Metoda CVD (depunere chimică în vapori):

La 900-2300℃, folosind TaCl5 și CnHm ca surse de tantal și carbon, H₂ ca atmosferă reducătoare, Ar₂as gaz purtător, film de depunere de reacție. Acoperirea pregătită este compactă, uniformă și de înaltă puritate. Cu toate acestea, există unele probleme precum proces complicat, costuri scumpe, control dificil al fluxului de aer și eficiență scăzută a depunerilor.

PARTEA 2

Metoda de sinterizare a șlamului:

Suspensia care conține sursa de carbon, sursa de tantal, dispersantul și liantul este acoperită pe grafit și sinterizat la temperatură ridicată după uscare. Acoperirea pregătită crește fără orientare regulată, are costuri reduse și este potrivită pentru producția la scară largă. Rămâne de explorat pentru a obține o acoperire uniformă și completă pe grafit mare, pentru a elimina defectele de suport și pentru a îmbunătăți forța de lipire a stratului de acoperire.

PARTEA/3

Metoda de pulverizare cu plasma:

Pulberea de TaC este topită prin arc de plasmă la temperatură ridicată, atomizată în picături de temperatură înaltă prin jet de mare viteză și pulverizată pe suprafața materialului de grafit. Este ușor să se formeze stratul de oxid fără vid, iar consumul de energie este mare.

Piesele de grafit acoperite cu TaC trebuie rezolvate

PARTEA 1

Forța de legare:

Coeficientul de dilatare termică și alte proprietăți fizice dintre TaC și materialele de carbon sunt diferite, rezistența de aderență a acoperirii este scăzută, este dificil să se evite crăpăturile, porii și stresul termic, iar acoperirea se dezlipește ușor în atmosfera reală care conține putregai și proces repetat de creștere și răcire.

PARTEA 2

Puritate:

Acoperirea TaC trebuie să fie de o puritate ultra-înaltă pentru a evita impuritățile și poluarea în condiții de temperatură ridicată, iar standardele de conținut eficiente și standardele de caracterizare a carbonului liber și a impurităților intrinseci de pe suprafața și în interiorul acoperirii complete trebuie convenite.

PARTEA/3

Stabilitate:

Rezistența la temperaturi ridicate și rezistența la atmosferă chimică peste 2300 ℃ sunt cei mai importanți indicatori pentru a testa stabilitatea acoperirii. Găurile, crăpăturile, colțurile lipsă și granițele cu o singură orientare sunt ușor de cauzat ca gazele corozive să pătrundă și să pătrundă în grafit, ducând la defectarea protecției acoperirii.

PARTEA/4

Rezistenta la oxidare:

TaC începe să se oxideze la Ta2O5 când este peste 500℃, iar rata de oxidare crește brusc odată cu creșterea temperaturii și a concentrației de oxigen. Oxidarea suprafeței începe de la granițele de granule și granule mici și formează treptat cristale columnare și cristale sparte, rezultând un număr mare de goluri și găuri, iar infiltrația de oxigen se intensifică până la îndepărtarea stratului de acoperire. Stratul de oxid rezultat are o conductivitate termică slabă și o varietate de culori în aspect.

PARTEA/5

Omogenitate și rugozitate:

Distribuția neuniformă a suprafeței de acoperire poate duce la concentrarea locală a tensiunii termice, crescând riscul de fisurare și spălare. În plus, rugozitatea suprafeței afectează direct interacțiunea dintre acoperire și mediul extern, iar rugozitatea prea mare duce cu ușurință la frecare crescută cu placheta și la câmp termic neuniform.

PARTEA/6

Marimea unui bob:

Granulația uniformă ajută la stabilitatea stratului de acoperire. Dacă granulația este mică, legătura nu este strânsă și este ușor de oxidat și corodat, rezultând un număr mare de fisuri și găuri în marginea granulelor, ceea ce reduce performanța de protecție a acoperirii. Dacă granulația este prea mare, este relativ aspră, iar stratul de acoperire este ușor de desprins sub stres termic.

Concluzie și perspectivă

În general,Piese de grafit acoperite cu TaCpe piață are o cerere uriașă și o gamă largă de perspective de aplicare, actualaPiese de grafit acoperite cu TaCcurentul principal de producție este să se bazeze pe componente CVD TaC. Cu toate acestea, din cauza costului ridicat al echipamentelor de producție CVD TaC și a eficienței limitate de depunere, materialele tradiționale de grafit acoperite cu SiC nu au fost complet înlocuite. Metoda de sinterizare poate reduce eficient costul materiilor prime și se poate adapta la forme complexe ale pieselor din grafit, astfel încât să răspundă nevoilor mai multor scenarii de aplicare diferite.