Проблемы применения и разработки графитовых компонентов с покрытием TaC

В контексте выращивания пластин карбида кремния (SiC) традиционные графитовые материалы и углерод-углеродные композиты, используемые в термической области, сталкиваются с серьезными проблемами в выдерживании сложной атмосферы при температуре 2300 ° C (Si, SiC₂, Si₂C). Эти материалы не только имеют короткий срок службы и требуют замены различных деталей после одного-десяти циклов печи, но также подвергаются сублимации и испарению при высоких температурах. Это может привести к образованию углеродных включений и других дефектов кристалла. Для обеспечения высокого качества и стабильного роста полупроводниковых кристаллов при учете затрат на промышленное производство необходимо создание сверхвысокотемпературных и коррозионностойких керамических покрытий на графитовых компонентах. Эти покрытия продлевают срок службы графитовых деталей, препятствуют миграции примесей и повышают чистоту кристаллов. Во время эпитаксиального роста SiC графитовые основы с покрытием SiC обычно используются для поддержки и нагрева монокристаллических подложек. Однако срок службы этих баз все еще нуждается в улучшении, и они требуют периодической очистки для удаления отложений SiC с интерфейсов. Для сравнения, танталКарбидные (TaC) покрытияобеспечивают превосходную стойкость к агрессивным средам и высоким температурам, что делает их важной технологией для достижения оптимального роста кристаллов SiC.

Температура плавления 3880°С.ТаСОбладает высокой механической прочностью, твердостью и термостойкостью. Он сохраняет превосходную химическую инертность и термическую стабильность в условиях высоких температур, включая пары аммиака, водорода и кремния. Графитовые (углерод-углеродные композитные) материалы с покрытиемТаСвесьма перспективны в качестве замены традиционных компонентов из высокочистого графита, компонентов с покрытием PBN и SiC. Кроме того, в аэрокосмической сфереТаСимеет значительный потенциал для использования в качестве высокотемпературного окислительно-стойкого и абляционно-стойкого покрытия, открывая широкие перспективы применения. Однако для достижения плотной, однородной и не шелушащейсяТаС-покрытиена графитовых поверхностях и продвижение его промышленного производства представляет собой ряд проблем. Понимание защитных механизмов покрытия, инновационные производственные процессы и конкуренция с высшими международными стандартами имеют решающее значение для роста и эпитаксиальной разработки полупроводников третьего поколения.

В заключение отметим, что разработка и применение графитовых компонентов с покрытием TaC имеют решающее значение для развития технологии выращивания пластин SiC. Решение проблем вТаС-покрытиеподготовка и индустриализация будут иметь ключевое значение для обеспечения выращивания высококачественных полупроводниковых кристаллов и расширения использованияТаС-покрытияв различных высокотемпературных применениях.

1. Применение графитовых компонентов с покрытием TaC.

(1) Тигель, держатель затравочных кристаллов и расходомерная трубка вPVT-выращивание монокристаллов SiC и AlN

Во время метода физического переноса пара (PVT) для получения SiC затравочный кристалл помещается в зону относительно низкой температуры, в то время как сырье SiC находится в зоне высокой температуры (выше 2400 ° C). Сырье разлагается с образованием газообразных частиц (SiXCy), которые переносятся из высокотемпературной зоны в низкотемпературную зону, где находится затравочный кристалл. Этот процесс, включающий зародышеобразование и рост с образованием монокристаллов, требует материалов теплового поля, таких как тигли, проточные кольца и держатели затравочных кристаллов, которые устойчивы к высоким температурам и не загрязняют сырье и кристаллы SiC. Аналогичные требования существуют и для выращивания монокристаллов AlN, где нагревательные элементы должны противостоять коррозии паров Al и N2, а также иметь высокую эвтектическую температуру, чтобы сократить цикл подготовки кристаллов.

Исследования показали, что использованиеГрафитовые материалы с покрытием ТаСв тепловом поле при получении SiC и AlN получаются более чистые кристаллы с меньшим количеством примесей углерода, кислорода и азота. Краевые дефекты сводятся к минимуму, а удельное сопротивление в различных областях значительно снижается, а также плотность микропор и ямок травления, что значительно повышает качество кристаллов. Кроме того,ТаСтигель демонстрирует незначительную потерю веса и отсутствие повреждений, что позволяет использовать его повторно (срок службы до 200 часов), повышая устойчивость и эффективность приготовления монокристаллов.

(2) Нагреватель при выращивании эпитаксиального слоя GaN MOCVD

Для выращивания GaN MOCVD используется технология химического осаждения из паровой фазы для эпитаксиального выращивания тонких пленок. Точность и однородность температуры в камере делают нагреватель важным компонентом. Он должен последовательно и равномерно нагревать подложку в течение длительного времени и сохранять стабильность при высоких температурах в условиях агрессивных газов.

Чтобы улучшить производительность и возможность вторичной переработки системного нагревателя MOCVD GaN,Графит с покрытием ТаСобогреватели были успешно внедрены. По сравнению с традиционными нагревателями с покрытием pBN, нагреватели TaC демонстрируют сопоставимые характеристики по кристаллической структуре, однородности толщины, внутренним дефектам, легированию примесями и уровням загрязнения. Низкое удельное сопротивление и поверхностная излучательная способностьТаС-покрытиеповысить эффективность и равномерность нагревателя, снижая потребление энергии и рассеивание тепла. Регулируемая пористость покрытия дополнительно улучшает характеристики излучения обогревателя и продлевает срок его службы, делаяГрафит с покрытием ТаСнагреватели — превосходный выбор для систем выращивания GaN MOCVD.

Рис. 2. (а) Принципиальная схема установки MOCVD для эпитаксиального роста GaN

(б) Нагреватель из формованного графита с покрытием TaC, установленный в установке MOCVD, за исключением основания и опор (на вставке показаны основание и опоры во время нагрева)

(с)Графитовый нагреватель с покрытием TaC после 17 циклов эпитаксиального роста GaN

(3)Лотки для эпитаксиального покрытия (подложки для пластин)

Носители пластин являются важнейшими структурными компонентами при подготовке и эпитаксиальном выращивании полупроводниковых пластин третьего поколения, таких как SiC, AlN и GaN. Большинство подложек изготовлены из графита и покрыты SiC для защиты от коррозии под воздействием технологических газов и работают в диапазоне температур от 1100 до 1600°C. Антикоррозийная способность защитного покрытия имеет решающее значение для срока службы носителя.

Исследования показывают, что скорость коррозии TaC значительно медленнее, чем SiC, в высокотемпературных средах аммиака и водорода, что делаетс покрытием ТаСлотки более совместимы с процессами MOCVD с синим GaN и предотвращают попадание примесей. Производительность светодиодов выросла с использованиемперевозчики ТаСсравним с традиционными носителями SiC, при этомс покрытием ТаСлотки, демонстрирующие превосходный срок службы.

Рисунок 3. Подложки для пластин, используемые в оборудовании MOCVD (Veeco P75) для эпитаксиального роста GaN. Лоток слева покрыт TaC, а лоток справа — SiC.

2. Проблемы, связанные с графитовыми компонентами с покрытием ТаС

Адгезия:Разница коэффициентов теплового расширения междуТаСи углеродных материалов приводит к низкой прочности адгезии покрытия, что делает его склонным к растрескиванию, пористости и термическому напряжению, что может привести к растрескиванию покрытия в агрессивных средах и повторяющимся температурным циклам.

Чистота: ТаС-покрытиядолжны поддерживать сверхвысокую чистоту, чтобы избежать попадания примесей при высоких температурах. Необходимо установить стандарты для оценки свободного углерода и внутренних примесей в покрытии.

Стабильность:Устойчивость к высоким температурам выше 2300°C и химической атмосфере имеет решающее значение. Дефекты, такие как микроотверстия, трещины и границы монокристаллических зерен, подвержены проникновению коррозионного газа, что приводит к разрушению покрытия.

Устойчивость к окислению:ТаСначинает окисляться при температуре выше 500°С, образуя Та2О5. Скорость окисления увеличивается с увеличением температуры и концентрации кислорода, начиная с границ зерен и мелких зерен, что приводит к значительной деградации покрытия и возможному отколу.

Однородность и шероховатость. Неравномерное распределение покрытия может вызвать локальное термическое напряжение, увеличивая риск образования трещин и отколов. Шероховатость поверхности влияет на взаимодействие с внешней средой, причем более высокая шероховатость приводит к увеличению трения и неравномерности тепловых полей.

Размер зерна:Однородный размер зерен повышает стабильность покрытия, тогда как более мелкие зерна склонны к окислению и коррозии, что приводит к увеличению пористости и снижению защиты. Более крупные зерна могут вызвать растрескивание, вызванное термическими напряжениями.

3. Заключение и перспективы

Графитовые компоненты с покрытием TaC имеют значительный рыночный спрос и широкие перспективы применения. Основное производствоТаС-покрытияв настоящее время использует компоненты CVD TaC, но высокая стоимость и ограниченная эффективность оборудования CVD еще не заменили традиционные графитовые материалы с покрытием SiC. Методы спекания могут эффективно снизить затраты на сырье и придать графиту сложную форму, отвечая разнообразным потребностям применения. Такие компании, как AFTech, CGT Carbon GmbH и Toyo Tanso, достигли зрелости.ТаС-покрытиепроцессы и доминировать на рынке.

В Китае развитиеГрафитовые компоненты с покрытием ТаСвсе еще находится на экспериментальной и ранней стадиях индустриализации. Развивать отрасль, оптимизируя текущие методы подготовки, изучая новые высококачественные процессы нанесения покрытий TaC и понимаяТаС-покрытиемеханизмы защиты и режимы отказа имеют важное значение. РасширениеПрименение покрытий ТаСтребует постоянных инноваций со стороны исследовательских институтов и компаний. По мере роста внутреннего рынка полупроводников третьего поколения спрос на высокоэффективные покрытия будет увеличиваться, что делает отечественные альтернативы будущей отраслевой тенденцией.**