TaC Kaplamalı Grafit Bileşenlerin Uygulama ve Geliştirme Zorlukları

Silisyum Karbür (SiC) levha büyümesi bağlamında, termal alanda kullanılan geleneksel grafit malzemeler ve karbon-karbon kompozitleri, 2300°C'deki karmaşık atmosfere (Si, SiC₂, Si₂C) dayanma konusunda önemli zorluklarla karşı karşıyadır. Bu malzemeler yalnızca bir ila on fırın döngüsünden sonra farklı parçaların değiştirilmesini gerektiren kısa bir ömre sahip olmakla kalmıyor, aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda süblimleşme ve buharlaşma da yaşıyor. Bu, karbon kalıntılarının ve diğer kristal kusurlarının oluşmasına yol açabilir. Endüstriyel üretim maliyetlerini göz önünde bulundurarak yarı iletken kristallerin yüksek kalitede ve istikrarlı bir şekilde büyümesini sağlamak için, grafit bileşenler üzerinde ultra yüksek sıcaklığa ve korozyona dayanıklı seramik kaplamaların hazırlanması esastır. Bu kaplamalar grafit parçaların ömrünü uzatır, yabancı maddelerin taşınmasını engeller ve kristal saflığını artırır. SiC epitaksiyel büyümesi sırasında, SiC kaplı grafit bazlar tipik olarak tek kristal substratları desteklemek ve ısıtmak için kullanılır. Bununla birlikte, bu tabanların ömrünün hâlâ iyileştirilmesi gerekiyor ve arayüzlerdeki SiC birikintilerini gidermek için periyodik temizliğe ihtiyaç duyuyorlar. Karşılaştırıldığında, TantalKarbür (TaC) kaplamalarAşındırıcı atmosferlere ve yüksek sıcaklıklara karşı üstün direnç sunarak, onları optimum SiC kristal büyümesini sağlamak için çok önemli bir teknoloji haline getiriyor.

3880°C erime noktasına sahip,TaCYüksek mekanik mukavemet, sertlik ve termal şok direnci sergiler. Amonyak, hidrojen ve silikon içeren buharları içeren yüksek sıcaklık koşulları altında mükemmel kimyasal inertliği ve termal stabiliteyi korur. Grafit (karbon-karbon kompozit) malzemelerle kaplanmışTaCgeleneksel yüksek saflıkta grafit, pBN kaplı ve SiC kaplı bileşenlerin yerini alacak şekilde oldukça umut vericidir. Ayrıca havacılık alanındaTaCyüksek sıcaklıkta oksidasyona ve aşınmaya dirençli bir kaplama olarak kullanım açısından önemli bir potansiyele sahiptir ve geniş uygulama olanakları sunar. Ancak yoğun, tekdüze ve soyulmayan bir görünüm elde etmekTaC kaplamaGrafit yüzeylerde kullanılması ve endüstriyel ölçekte üretiminin teşvik edilmesi birçok zorluğu beraberinde getiriyor. Kaplamanın koruyucu mekanizmalarını anlamak, üretim süreçlerinde yenilik yapmak ve en iyi uluslararası standartlarla rekabet etmek, üçüncü nesil yarı iletkenlerin büyümesi ve epitaksiyel gelişimi için çok önemlidir.

Sonuç olarak, TaC kaplı grafit bileşenlerin geliştirilmesi ve uygulanması, SiC levha büyütme teknolojisinin ilerlemesi için kritik öneme sahiptir. Zorlukların ele alınmasıTaC kaplamahazırlık ve sanayileşme, yüksek kaliteli yarı iletken kristal büyümesini sağlamanın ve kristallerin kullanımının genişletilmesinin anahtarı olacaktır.TaC kaplamalarçeşitli yüksek sıcaklık uygulamalarında.

1. TaC Kaplamalı Grafit Bileşenlerin Uygulanması

(1) Pota, tohum kristal tutucusu ve akış tüpüSiC ve AlN Tek Kristallerinin PVT Büyümesi

SiC hazırlanmasına yönelik fiziksel buhar taşıma (PVT) yöntemi sırasında, tohum kristali nispeten düşük sıcaklıklı bir bölgeye yerleştirilirken SiC ham maddesi yüksek sıcaklıklı bir bölgeye (2400°C'nin üzerinde) yerleştirilir. Hammadde, yüksek sıcaklık bölgesinden tohum kristalinin bulunduğu düşük sıcaklık bölgesine taşınan gazlı türler (SiXCy) üretmek üzere ayrışır. Tek kristaller oluşturmak için çekirdeklenme ve büyümeyi içeren bu işlem, yüksek sıcaklıklara dayanıklı ve SiC ham maddesini ve kristallerini kirletmeyen potalar, akış halkaları ve tohum kristal tutucular gibi ısı alanı malzemeleri gerektirir. Isıtma elemanlarının Al buharı ve N2 korozyonuna dayanıklı olması ve kristal hazırlama döngüsünü kısaltmak için yüksek ötektik sıcaklığa sahip olması gereken AlN tek kristal büyümesi için de benzer gereksinimler mevcuttur.

Çalışmalar şunu göstermiştir:TaC kaplı grafit malzemelerSiC ve AlN hazırlığı için ısı alanında daha az karbon, oksijen ve nitrojen kirliliği içeren daha temiz kristaller elde edilir. Kenar kusurları en aza indirilir ve farklı bölgelerdeki direnç, mikro gözenek ve aşındırma çukuru yoğunluklarıyla birlikte önemli ölçüde azaltılarak kristal kalitesi büyük ölçüde artırılır. Ayrıca,TaCPota ihmal edilebilir bir ağırlık kaybı gösterir ve hiçbir hasar göstermez, yeniden kullanıma izin verir (200 saate kadar kullanım ömrüyle), tek kristal hazırlamanın sürdürülebilirliğini ve verimliliğini artırır.

(2) MOCVD GaN Epitaksiyel Katman Büyümesindeki ısıtıcı

MOCVD GaN büyümesi, ince filmleri epitaksiyel olarak büyütmek için kimyasal buhar biriktirme teknolojisinin kullanılmasını içerir. Oda sıcaklığının hassasiyeti ve eşitliği, ısıtıcıyı çok önemli bir bileşen haline getirir. Alt tabakayı uzun süreler boyunca tutarlı ve eşit bir şekilde ısıtmalı ve aşındırıcı gazlar altında yüksek sıcaklıklarda stabiliteyi korumalıdır.

MOCVD GaN sistem ısıtıcısının performansını ve geri dönüştürülebilirliğini artırmak için,TaC kaplı grafitısıtıcılar başarıyla tanıtıldı. pBN kaplamalı geleneksel ısıtıcılarla karşılaştırıldığında TaC ısıtıcılar, kristal yapı, kalınlık bütünlüğü, içsel kusurlar, safsızlık katkısı ve kirlilik seviyeleri açısından karşılaştırılabilir performans gösterir. Düşük direnç ve yüzey emisyonuTaC kaplamaIsıtıcının verimliliğini ve homojenliğini artırır, enerji tüketimini ve ısı dağılımını azaltır. Kaplamanın ayarlanabilir gözenekliliği, ısıtıcının radyasyon özelliklerini daha da geliştirir ve ömrünü uzatır.TaC kaplı grafitısıtıcılar MOCVD GaN büyütme sistemleri için üstün bir seçimdir.

Şekil 2. (a) GaN epitaksiyel büyümesi için MOCVD aparatının şematik diyagramı

(b) MOCVD kurulumuna monte edilmiş, taban ve destekler hariç, şekillendirilmiş TaC kaplı grafit ısıtıcı (iç kısım, ısıtma sırasında tabanı ve destekleri gösterir)

(C)17 döngü GaN epitaksiyel büyümeden sonra TaC kaplı grafit ısıtıcı

(3)Epitaksiyel Kaplama Tepsileri (Gofret Taşıyıcıları)

Gofret taşıyıcıları, SiC, AlN ve GaN gibi üçüncü nesil yarı iletken plakaların hazırlanmasında ve epitaksiyel büyümesinde kritik yapısal bileşenlerdir. Çoğu levha taşıyıcısı, 1100 ila 1600°C sıcaklık aralığında çalışan, proses gazlarından kaynaklanan korozyona direnmek için grafitten yapılmış ve SiC ile kaplanmıştır. Koruyucu kaplamanın korozyon önleyici özelliği, taşıyıcının ömrü açısından çok önemlidir.

Araştırmalar, yüksek sıcaklıktaki amonyak ve hidrojen ortamlarında TaC'nin korozyon hızının SiC'den önemli ölçüde daha yavaş olduğunu gösteriyor.TaC kaplamalıtepsiler mavi GaN MOCVD işlemleriyle daha uyumludur ve yabancı maddelerin girişini önler. kullanılarak artırılan LED performansıTaC taşıyıcılarıgeleneksel SiC taşıyıcılarla kıyaslanabilir niteliktedir.TaC kaplamalıÜstün kullanım ömrünü gösteren tepsiler.

Şekil 3. GaN epitaksiyel büyümesi için MOCVD ekipmanında (Veeco P75) kullanılan gofret tepsileri. Soldaki tepsi TaC ile kaplanmış, sağdaki tepsi ise SiC ile kaplanmıştır

2. TaC Kaplamalı Grafit Bileşenlerdeki Zorluklar

Yapışma:arasındaki termal genleşme katsayısı farkıTaCve karbon malzemeler kaplamanın yapışma mukavemetinin düşük olmasına neden olur, bu da onu çatlamaya, gözenekliliğe ve termal strese yatkın hale getirir; bu da aşındırıcı atmosferler altında kaplamanın parçalanmasına ve tekrarlanan sıcaklık döngülerine yol açabilir.

Saflık: TaC kaplamalarYüksek sıcaklıklarda yabancı maddelerin girmesini önlemek için ultra yüksek saflığı korumalıdır. Kaplama içindeki serbest karbon ve içsel safsızlıkların değerlendirilmesine yönelik standartların oluşturulması gerekmektedir.

İstikrar:2300°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklıklara ve kimyasal atmosferlere dayanıklılık kritik öneme sahiptir. İğne delikleri, çatlaklar ve tek kristal tanecik sınırları gibi kusurlar, aşındırıcı gaz sızmasına karşı hassastır ve bu da kaplamanın bozulmasına yol açar.

Oksidasyon Direnci:TaC500°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda oksitlenmeye başlayarak Ta2O5'i oluşturur. Oksidasyon hızı, tane sınırlarından ve küçük taneciklerden başlayarak sıcaklık ve oksijen konsantrasyonuyla birlikte artar, bu da önemli kaplama bozulmasına ve sonunda parçalanmaya yol açar.

Tekdüzelik ve Pürüzlülük: Tutarsız kaplama dağılımı, yerel termal gerilime neden olarak çatlama ve parçalanma riskini artırabilir. Yüzey pürüzlülüğü dış ortamla etkileşimi etkiler; daha yüksek pürüzlülük sürtünmenin artmasına ve eşit olmayan termal alanlara yol açar.

Tane büyüklüğü:Tekdüze tane boyutu kaplama stabilitesini arttırırken, daha küçük taneler oksidasyona ve korozyona eğilimli olup gözenekliliğin artmasına ve korumanın azalmasına neden olur. Daha büyük taneler termal stres kaynaklı parçalanmaya neden olabilir.

3. Sonuç ve Görünüm

TaC kaplı grafit bileşenler önemli pazar talebine ve geniş uygulama beklentilerine sahiptir. Ana üretimTaC kaplamalarşu anda CVD TaC bileşenlerine dayanmaktadır, ancak CVD ekipmanının yüksek maliyeti ve sınırlı biriktirme verimliliği henüz geleneksel SiC kaplı grafit malzemelerin yerini almamıştır. Sinterleme yöntemleri, hammadde maliyetlerini etkili bir şekilde azaltabilir ve karmaşık grafit şekillerine uyum sağlayarak çeşitli uygulama ihtiyaçlarını karşılayabilir. AFTech, CGT Carbon GmbH ve Toyo Tanso gibi şirketler olgunlaştıTaC kaplamaSüreçlere hakim olun ve pazara hakim olun.

Çin'de, gelişmeTaC kaplı grafit bileşenlerhalen deneysel ve erken sanayileşme aşamasındadır. Mevcut hazırlama yöntemlerini optimize ederek, yeni yüksek kaliteli TaC kaplama süreçlerini keşfederek ve anlayışı geliştirerek sektörü ilerletmekTaC kaplamakoruma mekanizmaları ve arıza modları önemlidir. GenişleyenTaC kaplama uygulamalarıaraştırma kurumları ve şirketlerinden sürekli yenilik gerektirir. Yerli üçüncü nesil yarı iletken pazarı büyüdükçe, yüksek performanslı kaplamalara olan talep artacak ve yerli alternatifler geleceğin endüstri trendi haline gelecektir.**