TaC-pinnoitettujen grafiittikomponenttien sovellus- ja kehityshaasteet

Piikarbidin (SiC) kiekkojen kasvun yhteydessä perinteiset grafiittimateriaalit ja hiili-hiili-komposiitit, joita käytetään lämpökentässä, kohtaavat merkittäviä haasteita kestämään monimutkaista ilmakehää 2300 °C:ssa (Si, SiC₂, Si2C). Näillä materiaaleilla ei ole vain lyhyt käyttöikä, ja ne vaativat eri osien vaihtamista yhdestä kymmeneen uunisyklin jälkeen, vaan ne myös kokevat sublimoitumista ja haihtumista korkeissa lämpötiloissa. Tämä voi johtaa hiilisulkeutumien ja muiden kidevaurioiden muodostumiseen. Puolijohdekiteiden korkean laadun ja vakaan kasvun varmistamiseksi teolliset tuotantokustannukset huomioon ottaen on välttämätöntä valmistaa erittäin korkeita lämpötiloja ja korroosiota kestäviä keraamisia pinnoitteita grafiittikomponenteille. Nämä pinnoitteet pidentävät grafiittiosien käyttöikää, estävät epäpuhtauksien kulkeutumista ja parantavat kiteiden puhtautta. SiC epitaksiaalisen kasvun aikana piikarbidilla päällystettyjä grafiittipohjaisia ​​käytetään tyypillisesti yksikidealustojen tukemiseen ja lämmittämiseen. Näiden emästen käyttöikää on kuitenkin vielä parannettava, ja ne vaativat säännöllistä puhdistusta piikarbidikerrostumien poistamiseksi rajapinnoilta. Vertailun vuoksi TantaaliKarbidipinnoitteet (TaC).tarjoavat erinomaisen kestävyyden syövyttäville ilmakehille ja korkeille lämpötiloille, mikä tekee niistä ratkaisevan tärkeän teknologian optimaalisen piikarbidikiteen kasvun saavuttamiseksi.

jonka sulamispiste on 3880°C,TaCsillä on korkea mekaaninen lujuus, kovuus ja lämpöiskun kestävyys. Se säilyttää erinomaisen kemiallisen inerttisyyden ja lämpöstabiilisuuden korkeissa lämpötiloissa, joissa on mukana ammoniakkia, vetyä ja piitä sisältäviä höyryjä. Grafiitti (hiili-hiili-komposiitti) materiaalit päällystettyTaCovat erittäin lupaavia korvaamaan perinteisiä erittäin puhtaita grafiitti-, pBN- ja SiC-pinnoitettuja komponentteja. Lisäksi ilmailualallaTaCon merkittävää potentiaalia käytettäväksi korkeita lämpötiloja kestävänä hapettumista ja ablaatiota kestävänä pinnoitteena, joka tarjoaa laajat käyttömahdollisuudet. Kuitenkin saavuttaa tiheä, yhtenäinen ja ei-kuoriutuvaTaC pinnoitegrafiittipinnoille ja sen teollisen mittakaavan tuotannon edistäminen asettaa useita haasteita. Pinnoitteen suojamekanismien ymmärtäminen, innovatiiviset tuotantoprosessit ja kilpaileminen huippustandardien kanssa ovat ratkaisevan tärkeitä kolmannen sukupolven puolijohteiden kasvulle ja epitaksiaaliselle kehitykselle.

Yhteenvetona voidaan todeta, että TaC-pinnoitettujen grafiittikomponenttien kehittäminen ja käyttö ovat ratkaisevan tärkeitä piikarbidikiekkojen kasvuteknologian edistämisessä. Haasteisiin vastaaminenTaC pinnoitevalmistelu ja teollistuminen ovat avainasemassa laadukkaan puolijohdekiteiden kasvun ja käytön laajentamisen kannaltaTaC-pinnoitteeterilaisissa korkean lämpötilan sovelluksissa.

1. TaC-pinnoitettujen grafiittikomponenttien käyttö

(1) Upokas, siemenkiteiden pidike ja virtausputki sisäänPVT Piikarbidin ja AlN-yksikiteiden kasvu

Piikarbidin valmistuksen fyysisen höyrynkuljetusmenetelmän (PVT) aikana siemenkide sijoitetaan suhteellisen alhaisen lämpötilan vyöhykkeelle, kun taas SiC-raaka-aine on korkean lämpötilan vyöhykkeelle (yli 2400 °C). Raaka-aine hajoaa muodostaen kaasumaisia ​​lajeja (SiXCy), jotka kuljetetaan korkean lämpötilan vyöhykkeeltä matalan lämpötilan vyöhykkeelle, jossa siemenkide sijaitsee. Tämä prosessi, joka sisältää ydintämisen ja kasvun yksittäiskiteiden muodostamiseksi, vaatii lämpökenttämateriaaleja, kuten upokkaita, virtausrenkaita ja siemenkiteiden pidikkeitä, jotka kestävät korkeita lämpötiloja eivätkä saastuta piikarbidin raaka-ainetta ja kiteitä. Samanlaisia ​​vaatimuksia on AlN-yksikidekasvulle, jossa lämmityselementtien on kestettävä Al-höyryä ja N2-korroosiota ja niillä on oltava korkea eutektinen lämpötila kiteen valmistussyklin lyhentämiseksi.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että käyttämälläTaC-pinnoitetut grafiittimateriaalitSiC:n ja AlN:n valmistuksen lämpökentässä saa aikaan puhtaampia kiteitä, joissa on vähemmän hiiltä, ​​happea ja typpeä epäpuhtauksia. Reunavirheet ovat minimoituja, ja eri alueiden ominaisvastus pienenee merkittävästi sekä mikrohuokosten ja etsauskuoppatiheys, mikä parantaa huomattavasti kiteen laatua. Lisäksi,TaCupokkaan painonpudotus on vähäinen eikä vaurioita, mikä mahdollistaa uudelleenkäytön (jopa 200 tunnin käyttöikä), mikä parantaa yksikidevalmisteen kestävyyttä ja tehokkuutta.

(2 ) Lämmitin MOCVD GaN Epitaxial Layer Growthissa

MOCVD GaN -kasvuun liittyy kemiallisen höyrypinnoitustekniikan käyttö ohuiden kalvojen kasvattamiseen epitaksisesti. Kammion lämpötilan tarkkuus ja tasaisuus tekevät lämmittimestä keskeisen osan. Sen on lämmitettävä alustaa jatkuvasti ja tasaisesti pitkiä aikoja ja säilytettävä stabiilisuus korkeissa lämpötiloissa syövyttävissä kaasuissa.

MOCVD GaN -järjestelmän lämmittimen suorituskyvyn ja kierrätettävyyden parantamiseksi,TaC-pinnoitettu grafiittilämmittimet on otettu käyttöön onnistuneesti. Verrattuna perinteisiin lämmittimiin, joissa on pBN-pinnoite, TaC-lämmittimien suorituskyky on vertailukelpoinen kiderakenteen, paksuuden tasaisuuden, sisäisten vikojen, epäpuhtauksien dopingin ja kontaminaatiotason suhteen. Alhainen resistiivisyys ja pinnan emissiivisyysTaC pinnoiteparantaa lämmittimen tehokkuutta ja tasaisuutta vähentäen energiankulutusta ja lämmön haihtumista. Pinnoitteen säädettävä huokoisuus parantaa entisestään lämmittimen säteilyominaisuuksia ja pidentää sen käyttöikää, jolloinTaC-pinnoitettu grafiittilämmittimet erinomainen valinta MOCVD GaN -kasvatusjärjestelmiin.

Kuva 2. (a) Kaaviokaavio MOCVD-laitteistosta GaN-epitaksiaalista kasvua varten

(b) Muotoiltu TaC-pinnoitettu grafiittilämmitin, joka on asennettu MOCVD-asennukseen, lukuun ottamatta alustaa ja tukia (umpiossa näkyy alusta ja tuet lämmityksen aikana)

(c)TaC-pinnoitettu grafiittilämmitin 17 GaN-epitaksiaalisen kasvujakson jälkeen

(3)Epitaksiaaliset päällystealustat (kiekkotelineet)

Kiekon kantajat ovat kriittisiä rakennekomponentteja kolmannen sukupolven puolijohdekiekkojen, kuten SiC, AlN ja GaN, valmistuksessa ja epitaksiaalisessa kasvussa. Useimmat kiekkojen alustat on valmistettu grafiitista ja päällystetty piikarbidilla kestämään prosessikaasujen aiheuttamaa korroosiota, ja ne toimivat lämpötila-alueella 1100-1600°C. Suojapinnoitteen korroosionestokyky on ratkaisevan tärkeä kantajan käyttöiän kannalta.

Tutkimukset osoittavat, että TaC:n korroosionopeus on huomattavasti hitaampi kuin SiC korkean lämpötilan ammoniakki- ja vetyympäristöissä, mikä tekeeTaC päällystettyalustat ovat paremmin yhteensopivia blue GaN MOCVD -prosessien kanssa ja estävät epäpuhtauksien pääsyn. LED-suorituskyky kasvanut käyttämälläTaC-kuljettajaton verrattavissa perinteisiin piikarbidin kantajiinTaC päällystettytarjottimet, jotka osoittavat ylivoimaisen käyttöiän.

Kuva 3. MOCVD-laitteessa (Veeco P75) käytetyt kiekkoalustat GaN-epitaksiaaliseen kasvuun. Vasemmanpuoleinen tarjotin on päällystetty TaC:llä, kun taas oikeanpuoleinen alusta on päällystetty SiC:llä

2. TaC-pinnoitettujen grafiittikomponenttien haasteita

Kiinnitys:Lämpölaajenemiskerroin eroTaCja hiilimateriaalit johtavat alhaiseen pinnoitteen adheesiolujuuteen, mikä tekee siitä alttiita halkeilulle, huokoisuudelle ja lämpörasitukselle, mikä voi johtaa pinnoitteen roiskeluun syövyttävässä ilmakehässä ja toistuvassa lämpötilan vaihtelussa.

Puhtaus: TaC-pinnoitteetsen on säilytettävä erittäin korkea puhtaus, jotta vältetään epäpuhtauksien joutuminen korkeissa lämpötiloissa. On vahvistettava standardit pinnoitteen sisältämän vapaan hiilen ja sisäisten epäpuhtauksien arvioimiseksi.

Vakaus:Korkeiden yli 2300 °C:n lämpötilojen ja kemiallisten ilmakehän kestävyys on kriittinen. Viat, kuten neulanreiät, halkeamat ja yksikideraerajat, ovat alttiita syövyttävälle kaasulle, mikä johtaa pinnoitteen rikkoutumiseen.

Hapettumiskestävyys:TaCalkaa hapettua yli 500°C:n lämpötiloissa muodostaen Ta2O5:tä. Hapetusnopeus kasvaa lämpötilan ja happipitoisuuden myötä alkaen raerajoista ja pienistä rakeista, mikä johtaa merkittävään pinnoitteen hajoamiseen ja mahdolliseen lohkeilemiseen.

Tasaisuus ja karheus: Epätasainen pinnoitteen jakautuminen voi aiheuttaa paikallista lämpörasitusta, mikä lisää halkeilu- ja halkeiluriskiä. Pinnan karheus vaikuttaa vuorovaikutukseen ulkoisen ympäristön kanssa, ja suurempi karheus johtaa lisääntyneeseen kitkaan ja epätasaisiin lämpökenttiin.

Jyvän koko:Tasainen raekoko parantaa pinnoitteen vakautta, kun taas pienemmät rakeet ovat alttiita hapettumiselle ja korroosiolle, mikä lisää huokoisuutta ja heikentää suojausta. Suuremmat rakeet voivat aiheuttaa lämpöjännityksen aiheuttamaa lohkeilua.

3. Päätelmät ja näkymät

TaC-pinnoitetuilla grafiittikomponenteilla on merkittävä markkinakysyntä ja laajat käyttömahdollisuudet. Valtavirran tuotantoTaC-pinnoitteetperustuu tällä hetkellä CVD TaC -komponentteihin, mutta CVD-laitteiden korkeat kustannukset ja rajallinen saostustehokkuus eivät ole vielä korvanneet perinteisiä piikarbidilla päällystettyjä grafiittimateriaaleja. Sintrausmenetelmillä voidaan tehokkaasti alentaa raaka-ainekustannuksia ja mukautua monimutkaisiin grafiittimuotoihin, mikä vastaa erilaisiin käyttötarpeisiin. Yritykset, kuten AFTech, CGT Carbon GmbH ja Toyo Tanso, ovat kypsyneetTaC pinnoiteja hallitsevat markkinoita.

Kiinassa kehitystäTaC-pinnoitetut grafiittikomponentiton vielä kokeellisessa ja teollistumisen alkuvaiheessa. Teollisuuden edistäminen, nykyisten valmistusmenetelmien optimointi, uusien korkealaatuisten TaC-pinnoitusprosessien tutkiminen ja ymmärrysTaC pinnoitesuojamekanismit ja vikatilat ovat välttämättömiä. LaajeneeTaC-pinnoitussovelluksetvaatii jatkuvaa innovaatiota tutkimuslaitoksilta ja yrityksiltä. Kotimaisten kolmannen sukupolven puolijohdemarkkinoiden kasvaessa korkean suorituskyvyn pinnoitteiden kysyntä kasvaa, mikä tekee kotimaisista vaihtoehdoista tulevaisuuden teollisuuden trendi.**