Uporaba grafitnih delov, prevlečenih s TaC, v monokristalnih pečeh

UporabaTac prevlečeni grafitni deliv enojnih kristalnih peči

Del/1

Pri rasti monokristalov SiC in AlN z metodo fizičnega prenosa hlapov (PVT) igrajo ključne komponente, kot so lonček, držalo za seme in vodilni obroč, ključno vlogo. Kot je prikazano na sliki 2 [1], je med postopkom PVT zarodni kristal nameščen v območju nižje temperature, medtem ko je surovina SiC izpostavljena višjim temperaturam (nad 2400 ℃). To vodi do razgradnje surovine, pri čemer nastanejo spojine SiXCy (predvsem vključno s Si, SiC₂, Si₂C itd.). Material parne faze se nato transportira iz visokotemperaturnega območja v zarodni kristal v nizkotemperaturnem območju, kar ima za posledico tvorbo zarodnih jeder, rast kristalov in nastanek monokristalov. Zato morajo biti materiali toplotnega polja, ki se uporabljajo v tem procesu, kot so lonček, obroč za usmerjanje toka in držalo kristalnega semena, odporni na visoke temperature, ne da bi onesnažili surovine SiC in monokristale. Podobno morajo grelni elementi, ki se uporabljajo pri rasti kristalov AlN, vzdržati korozijo zaradi hlapov Al in N₂, hkrati pa morajo imeti visoko evtektično temperaturo (z AlN), da se skrajša čas priprave kristalov.

Ugotovljeno je bilo, da uporaba materialov grafitnega termičnega polja, prevlečenih s TaC, za pripravo SiC [2-5] in AlN [2-3] povzroči čistejše izdelke z minimalno količino ogljika (kisika, dušika) in drugih nečistoč. Ti materiali kažejo manj robnih napak in nižjo upornost v vsaki regiji. Poleg tega se gostota mikropor in jedkalnih jamic (po jedkanju s KOH) znatno zmanjša, kar vodi do bistvenega izboljšanja kakovosti kristalov. Poleg tega TaC lonček dokazuje skoraj ničelno izgubo teže, ohranja nedestruktiven videz in ga je mogoče reciklirati (z življenjsko dobo do 200 ur), s čimer se povečata trajnost in učinkovitost postopkov priprave monokristalov.

Fig. 2. (a) Shematski diagram naprave za gojenje enojnih kristalnih ingot SIC po PVT metodi

(b) Zgornji nosilni nosilec, prevlečen s TaC (vključno s SiC semenom)

(c) Grafitni vodilni obroč, prevlečen s TAC

MOCVD GaN epitaksialni grelec za rast plasti

DEL/2

Na področju MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) rasti GaN, ki je ključna tehnika za parno epitaksialno rast tankih filmov z reakcijami organokovinske razgradnje, ima grelnik ključno vlogo pri doseganju natančnega nadzora temperature in enakomernosti v reakcijski komori. Kot je prikazano na sliki 3 (a), grelnik velja za osrednjo komponento opreme MOCVD. Njegova zmožnost hitrega in enakomernega segrevanja substrata v daljših obdobjih (vključno s ponavljajočimi se cikli hlajenja), odpornosti na visoke temperature (odpornost proti koroziji plinov) in ohranjanja čistosti filma neposredno vpliva na kakovost nanašanja filma, konsistenco debeline in zmogljivost čipa.

Za povečanje učinkovitosti in učinkovitosti recikliranja grelnikov v MOCVD GaN rastnih sistemih je bila uvedba grafitnih grelnikov, prevlečenih s TaC, uspešna. V nasprotju z običajnimi grelniki, ki uporabljajo prevleke iz pBN (pirolitični borov nitrid), imajo epitaksialne plasti GaN, gojene z grelniki TaC, skoraj enake kristalne strukture, enakomernost debeline, lastno tvorbo napak, dopiranje z nečistočami in stopnje kontaminacije. Poleg tega prevleka TaC izkazuje nizko upornost in nizko površinsko emisivnost, kar ima za posledico izboljšano učinkovitost in enakomernost grelnika, s čimer se zmanjšata poraba energije in toplotne izgube. Z nadzorovanjem procesnih parametrov je mogoče prilagoditi poroznost prevleke, da se dodatno izboljšajo značilnosti sevanja grelnika in podaljša njegova življenjska doba [5]. Te prednosti postavljajo grafitne grelnike, prevlečene s TaC, kot odlično izbiro za rastne sisteme MOCVD GaN.

Fig. 3. (A) Shematski diagram naprave MOCVD za rast epitaksialne rasti GAN

(b) Oblikovan grafitni grelec, prevlečen s TAC, nameščen v nastavitvi MOCVD, razen baze in nosilca (ilustracija, ki prikazuje osnovo in nosilec pri ogrevanju)

(c) Grafitni grelnik, prevlečen s TAC, po epitaksialni rasti 17 GaN. 

Prevlečeni suceptor za epitaksijo (nosilec rezin)

Del/3

Nosilec rezin, ključna strukturna komponenta, ki se uporablja pri pripravi polprevodniških rezin tretjega razreda, kot so SIC, ALN in GAN, ima ključno vlogo pri procesih rasti epitaksialnih rezin. Običajno iz grafita je nosilec rezin prevlečen s sic, da se upira koroziji iz procesnih plinov v epitaksialnem temperaturnem območju od 1100 do 1600 ° C. Korozijska odpornost zaščitnega premaza znatno vpliva na življenjsko dobo nosilca rezin. Eksperimentalni rezultati so pokazali, da ima TAC hitrost korozije približno 6-krat počasnejšo od SIC, ko je izpostavljen visokotemperaturnemu amoniaku. V visokotemperaturnih vodikovih okoljih je hitrost korozije TAC celo več kot 10-krat počasnejša od SIC.

Eksperimentalni dokazi so pokazali, da imajo pladnji, prevlečeni s TaC, odlično združljivost v postopku GaN MOCVD z modro svetlobo brez vnosa nečistoč. Z omejenimi prilagoditvami postopka LED-diode, gojene z nosilci TaC, izkazujejo primerljivo zmogljivost in enotnost s tistimi, gojenimi z običajnimi nosilci SiC. Posledično življenjska doba nosilcev za rezine, prevlečenih s TaC, presega življenjsko dobo grafitnih nosilcev brez premaza in SiC.

Slika. Pladenj za rezine po uporabi v napravi MOCVD z epitaksialno gojenjem GaN (Veeco P75). Tisti na levi je prevlečen s TaC, tisti na desni pa s SiC.

Način priprave skupnegaTac prevlečeni grafitni deli

Del/1

Metoda CVD (Chemical Vapor Deposition):

Pri 900-2300 ℃, z uporabo TaCl5 in CnHm kot virov tantala in ogljika, H₂ kot redukcijske atmosfere, Ar₂as nosilnega plina, filma za reakcijsko nanašanje. Pripravljen premaz je kompakten, enakomeren in visoke čistosti. Vendar pa obstajajo nekatere težave, kot so zapleten proces, dragi stroški, težaven nadzor pretoka zraka in nizka učinkovitost nanašanja.

DEL/2

Metoda sintranja z gnojem:

Zmes, ki vsebuje vir ogljika, vir tantala, dispergator in vezivo, je prevlečena na grafit in po sušenju sintrana pri visoki temperaturi. Pripravljen premaz raste brez pravilne orientacije, ima nizke stroške in je primeren za velikoserijsko proizvodnjo. Treba je še raziskati, kako doseči enakomerno in polno prevleko na velikem grafitu, odpraviti pomanjkljivosti podpore in povečati silo lepljenja prevleke.

Del/3

Metoda plazemskega brizganja:

TAC v prahu se stopi s plazemskim lokom pri visoki temperaturi, z visoko temperaturno kapljice z visoko temperaturo z visokim hitrostjo curka in razpršeno na površino grafitnega materiala. Oksidna plast je enostavno oblikovati pod ne-vakuumom, poraba energije pa je velika.

Grafitne dele, prevlečene s TaC, je treba rešiti

Del/1

Zavezujoča sila:

Koeficient toplotnega raztezanja in druge fizikalne lastnosti med TaC in ogljikovimi materiali so različni, moč lepljenja prevleke je nizka, težko se je izogniti razpokam, poram in toplotnemu stresu, prevleko pa je enostavno odlepiti v dejanski atmosferi, ki vsebuje gnilobo in ponavljajoče se postopke vzhajanja in ohlajanja.

DEL/2

Čistost:

TAC prevleka mora biti zelo visoka čistost, da se prepreči nečistoče in onesnaževanje v visokih temperaturnih pogojih ter učinkovite vsebinske standarde in karakterizacijske standarde prostega ogljika in notranje nečistoče na površini in znotraj celotne prevleke se je treba dogovoriti.

Del/3

Stabilnost:

Odpornost na visoke temperature in odpornost na kemično atmosfero nad 2300 ℃ sta najpomembnejša pokazatelja za testiranje stabilnosti prevleke. Luknje, razpoke, manjkajoči vogali in meje zrn v eni orientaciji zlahka povzročijo, da korozivni plini prodrejo in prodrejo v grafit, kar povzroči okvaro zaščite prevleke.

DEL/4

Oksidacijska odpornost:

TAC začne oksidirati na TA2O5, ko je nad 500 ℃, hitrost oksidacije pa se močno poveča s povečanjem temperature in koncentracije kisika. Površinska oksidacija se začne iz mej zrn in majhnih zrn ter postopoma tvori stolpne kristale in zlomljene kristale, kar ima za posledico veliko število vrzeli in luknje, infiltracija kisika pa se okrepi, dokler prevleka ni odstranjena. Nastala oksidna plast ima slabo toplotno prevodnost in različne barve po videzu.

DEL/5

Enotnost in hrapavost:

Neenakomerna porazdelitev površine prevleke lahko povzroči lokalno koncentracijo toplotne napetosti, kar poveča tveganje za razpoke in lomljenje. Poleg tega hrapavost površine neposredno vpliva na interakcijo med prevleko in zunanjim okoljem, prevelika hrapavost pa zlahka povzroči povečano trenje z rezino in neenakomerno toplotno polje.

Del/6

Velikost zrn:

Enotna velikost zrn pripomore k stabilnosti premaza. Če je velikost zrn majhna, vez ni tesna in je lahko oksidirana in korodirana, kar ima za posledico veliko število razpok in lukenj na robu zrn, kar zmanjša zaščitno delovanje prevleke. Če je zrnatost prevelika, je razmeroma hrapava in prevleka se pod toplotno obremenitvijo zlahka odlušči.

Zaključek in perspektiva

Na splošnoTac prevlečeni grafitni deliNa trgu ima veliko povpraševanja in široko paleto možnosti za uporabo, sedanjiTac prevlečeni grafitni deliProizvodnja glavna toka se zanaša na komponente TAC CVD. Vendar zaradi visokih stroškov proizvodne opreme TAC CVD in omejene učinkovitosti odlaganja tradicionalni grafitni materiali, prevlečeni s SIC, niso bili popolnoma zamenjani. Metoda sintranja lahko učinkovito zmanjša stroške surovin in se lahko prilagodi kompleksnim oblikam grafitnih delov, tako da ustreza potrebam več različnih scenarijev uporabe.