Sfide di applicazione e sviluppo dei componenti in grafite rivestita in TaC

Nel contesto della crescita dei wafer di carburo di silicio (SiC), i materiali tradizionali in grafite e i compositi carbonio-carbonio utilizzati nel campo termico devono affrontare sfide significative nel resistere alla complessa atmosfera a 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Questi materiali non solo hanno una durata di vita breve, richiedendo la sostituzione di diverse parti dopo da uno a dieci cicli del forno, ma subiscono anche sublimazione e volatilizzazione ad alte temperature. Ciò può portare alla formazione di inclusioni di carbonio e altri difetti cristallini. Per garantire l’alta qualità e la crescita stabile dei cristalli semiconduttori tenendo conto dei costi di produzione industriale, è essenziale preparare rivestimenti ceramici resistenti alle temperature ultra elevate e alla corrosione sui componenti di grafite. Questi rivestimenti prolungano la durata delle parti in grafite, inibiscono la migrazione delle impurità e migliorano la purezza dei cristalli. Durante la crescita epitassiale del SiC, le basi di grafite rivestite di SiC vengono generalmente utilizzate per supportare e riscaldare i substrati a cristallo singolo. Tuttavia, la durata di queste basi necessita ancora di miglioramenti e richiedono una pulizia periodica per rimuovere i depositi di SiC dalle interfacce. In confronto, tantalioRivestimenti in carburo (TaC).offrono una resistenza superiore alle atmosfere corrosive e alle alte temperature, rendendoli una tecnologia cruciale per ottenere una crescita ottimale dei cristalli SiC.

Con un punto di fusione di 3880°C,TaCpresenta elevata resistenza meccanica, durezza e resistenza agli shock termici. Mantiene un'eccellente inerzia chimica e stabilità termica in condizioni di alta temperatura che coinvolgono vapori contenenti ammoniaca, idrogeno e silicio. Materiali in grafite (composito carbonio-carbonio) rivestiti conTaCsono molto promettenti come sostituti dei tradizionali componenti in grafite ad elevata purezza, rivestiti in pBN e SiC. Inoltre, nel campo aerospaziale,TaCha un potenziale significativo per l’uso come rivestimento resistente all’ossidazione e all’ablazione ad alta temperatura, offrendo ampie prospettive di applicazione. Tuttavia, ottenendo un risultato denso, uniforme e senza peelingRivestimento TaCsulle superfici di grafite e promuoverne la produzione su scala industriale presentano diverse sfide. Comprendere i meccanismi protettivi del rivestimento, innovare i processi produttivi e competere con i migliori standard internazionali sono cruciali per la crescita e lo sviluppo epitassiale dei semiconduttori di terza generazione.

In conclusione, lo sviluppo e l'applicazione di componenti in grafite rivestita di TaC sono fondamentali per il progresso della tecnologia di crescita dei wafer SiC. Affrontare le sfide inRivestimento TaCLa preparazione e l'industrializzazione saranno fondamentali per garantire la crescita di cristalli semiconduttori di alta qualità e ampliarne l'usoRivestimenti TaCin varie applicazioni ad alta temperatura.

1. Applicazione di componenti in grafite rivestiti con TaC

(1) Il crogiolo, il supporto dei cristalli e il tubo di flusso sono inseritiCrescita PVT di cristalli singoli SiC e AlN

Durante il metodo di trasporto fisico del vapore (PVT) per la preparazione del SiC, il cristallo seme viene posizionato in una zona a temperatura relativamente bassa mentre la materia prima SiC si trova in una zona ad alta temperatura (superiore a 2400°C). La materia prima si decompone per produrre specie gassose (SiXCy), che vengono trasportate dalla zona ad alta temperatura alla zona a bassa temperatura dove si trova il cristallo seme. Questo processo, che include la nucleazione e la crescita per formare cristalli singoli, richiede materiali a campo termico come crogioli, anelli di flusso e supporti per cristalli di semi che siano resistenti alle alte temperature e non contaminino la materia prima e i cristalli SiC. Requisiti simili esistono per la crescita del singolo cristallo di AlN, dove gli elementi riscaldanti devono resistere alla corrosione dei vapori di Al e di N2 e avere un'elevata temperatura eutettica per abbreviare il ciclo di preparazione dei cristalli.

Gli studi hanno dimostrato che l'utilizzoMateriali in grafite rivestita in TaCnel campo termico per la preparazione di SiC e AlN si ottengono cristalli più puliti con meno impurità di carbonio, ossigeno e azoto. I difetti sui bordi sono ridotti al minimo e la resistività tra le diverse regioni è significativamente ridotta, insieme alle densità dei micropori e dei punti di attacco, migliorando notevolmente la qualità dei cristalli. Inoltre, ilTaCIl crogiolo mostra una perdita di peso trascurabile e nessun danno, consentendone il riutilizzo (con una durata fino a 200 ore), migliorando la sostenibilità e l'efficienza della preparazione del singolo cristallo.

(2) Il riscaldatore nella crescita dello strato epitassiale GaN MOCVD

La crescita MOCVD GaN prevede l'utilizzo della tecnologia di deposizione chimica da vapore per far crescere film sottili epitassialmente. La precisione e l'uniformità della temperatura della camera rendono il riscaldatore un componente cruciale. Deve riscaldare costantemente e uniformemente il substrato per lunghi periodi e mantenere la stabilità alle alte temperature in presenza di gas corrosivi.

Per migliorare le prestazioni e la riciclabilità del riscaldatore del sistema MOCVD GaN,Grafite rivestita in TaCi riscaldatori sono stati introdotti con successo. Rispetto ai riscaldatori tradizionali con rivestimenti in pBN, i riscaldatori TaC mostrano prestazioni comparabili in termini di struttura cristallina, uniformità di spessore, difetti intrinseci, drogaggio di impurità e livelli di contaminazione. La bassa resistività ed emissività superficiale delRivestimento TaCmigliorare l’efficienza e l’uniformità del riscaldatore, riducendo il consumo di energia e la dissipazione del calore. La porosità regolabile del rivestimento migliora ulteriormente le caratteristiche di radiazione del riscaldatore e ne prolunga la durata, rendendoloGrafite rivestita in TaCi riscaldatori sono una scelta superiore per i sistemi di crescita GaN MOCVD.

Figura 2. (a) Diagramma schematico dell'apparato MOCVD per la crescita epitassiale di GaN

(b) Riscaldatore in grafite rivestita in TaC formato installato nella configurazione MOCVD, esclusa la base e i supporti (il riquadro mostra la base e i supporti durante il riscaldamento)

(C)Riscaldatore in grafite rivestito in TaC dopo 17 cicli di crescita epitassiale GaN

(3)Vassoi per rivestimento epitassiale (supporti per wafer)

I trasportatori di wafer sono componenti strutturali critici nella preparazione e nella crescita epitassiale di wafer di semiconduttori di terza generazione come SiC, AlN e GaN. La maggior parte dei supporti per wafer sono realizzati in grafite e rivestiti con SiC per resistere alla corrosione dei gas di processo e funzionano in un intervallo di temperature compreso tra 1.100 e 1.600 °C. La capacità anticorrosione del rivestimento protettivo è fondamentale per la durata del trasportino.

La ricerca indica che la velocità di corrosione del TaC è significativamente più lenta del SiC in ambienti ad alta temperatura con ammoniaca e idrogeno, rendendoloRivestito in TaCvassoi più compatibili con i processi MOCVD blu GaN e prevengono l'introduzione di impurità. Le prestazioni dei LED sono aumentate utilizzandoPortatori TaCè paragonabile ai tradizionali supporti SiC, con ilRivestito in TaCvassoi che dimostrano una durata di vita superiore.

Figura 3. Vassoi wafer utilizzati nell'apparecchiatura MOCVD (Veeco P75) per la crescita epitassiale GaN. Il vassoio a sinistra è rivestito con TaC, mentre il vassoio a destra è rivestito con SiC

2. Sfide nei componenti in grafite rivestita in TaC

Adesione:La differenza del coefficiente di dilatazione termica traTaCe i materiali in carbonio determinano una bassa forza di adesione del rivestimento, rendendolo soggetto a fessurazioni, porosità e stress termico, che possono portare alla spallazione del rivestimento in atmosfere corrosive e ripetuti cicli di temperatura.

Purezza: Rivestimenti TaCdeve mantenere una purezza elevatissima per evitare l'introduzione di impurità alle alte temperature. È necessario stabilire standard per la valutazione del carbonio libero e delle impurità intrinseche all'interno del rivestimento.

Stabilità:La resistenza alle alte temperature superiori a 2300°C e alle atmosfere chimiche è fondamentale. Difetti come fori di spillo, crepe e bordi dei grani del singolo cristallo sono suscettibili all'infiltrazione di gas corrosivo, con conseguente rottura del rivestimento.

Resistenza all'ossidazione:TaCinizia ad ossidarsi a temperature superiori a 500°C, formando Ta2O5. Il tasso di ossidazione aumenta con la temperatura e la concentrazione di ossigeno, a partire dai bordi dei grani e dai grani piccoli, portando a una significativa degradazione del rivestimento e alla possibile spallazione.

Uniformità e rugosità: una distribuzione incoerente del rivestimento può causare stress termico localizzato, aumentando il rischio di fessurazioni e spallazioni. La rugosità superficiale influisce sulle interazioni con l'ambiente esterno, con una maggiore rugosità che porta ad un aumento dell'attrito e a campi termici irregolari.

Granulometria:La dimensione uniforme dei grani migliora la stabilità del rivestimento, mentre i grani più piccoli sono soggetti a ossidazione e corrosione, con conseguente aumento della porosità e riduzione della protezione. I grani più grandi possono causare spallazione indotta da stress termico.

3. Conclusione e prospettive

I componenti in grafite rivestita in TaC hanno una domanda di mercato significativa e ampie prospettive di applicazione. La produzione tradizionale diRivestimenti TaCattualmente si basa su componenti CVD TaC, ma il costo elevato e la limitata efficienza di deposizione delle apparecchiature CVD non hanno ancora sostituito i tradizionali materiali in grafite rivestiti con SiC. I metodi di sinterizzazione possono ridurre efficacemente i costi delle materie prime e adattarsi a forme complesse di grafite, soddisfacendo le diverse esigenze applicative. Aziende come AFTech, CGT Carbon GmbH e Toyo Tanso sono matureRivestimento TaCprocessi e dominare il mercato.

In Cina, lo sviluppo diComponenti in grafite rivestita in TaCè ancora in fase sperimentale e di prima industrializzazione. Per far avanzare il settore, ottimizzando gli attuali metodi di preparazione, esplorando nuovi processi di rivestimento TaC di alta qualità e approfondendo la comprensioneRivestimento TaCi meccanismi di protezione e le modalità di guasto sono essenziali. In espansioneApplicazioni di rivestimento TaCrichiede una continua innovazione da parte degli enti di ricerca e delle imprese. Con la crescita del mercato nazionale dei semiconduttori di terza generazione, aumenterà la domanda di rivestimenti ad alte prestazioni, rendendo le alternative nazionali la futura tendenza del settore.**