چالش های کاربرد و توسعه اجزای گرافیت پوشش داده شده TaC

در زمینه رشد ویفر سیلیکون کاربید (SiC)، مواد گرافیت سنتی و کامپوزیت‌های کربن-کربن مورد استفاده در میدان حرارتی با چالش‌های قابل توجهی در مقاومت در برابر جو پیچیده در دمای 2300 درجه سانتی گراد (Si، SiC2، Si2C) روبرو هستند. این مواد نه تنها طول عمر کوتاهی دارند و پس از یک تا ده چرخه کوره نیاز به تعویض قطعات مختلف دارند، بلکه در دماهای بالا نیز تصعید و تبخیر شدن را تجربه می کنند. این می تواند منجر به تشکیل آخال کربن و سایر نقص های کریستالی شود. برای اطمینان از کیفیت بالا و رشد پایدار کریستال های نیمه هادی با در نظر گرفتن هزینه های تولید صنعتی، تهیه پوشش های سرامیکی فوق العاده بالا و مقاوم در برابر خوردگی بر روی اجزای گرافیت ضروری است. این پوشش ها طول عمر قطعات گرافیتی را افزایش می دهند، از مهاجرت ناخالصی ها جلوگیری می کنند و خلوص کریستال را افزایش می دهند. در طول رشد اپیتاکسیال SiC، پایه های گرافیتی پوشش داده شده با SiC معمولا برای پشتیبانی و گرم کردن بسترهای تک کریستالی استفاده می شود. با این حال، طول عمر این پایه ها هنوز نیاز به بهبود دارد و آنها نیاز به تمیز کردن دوره ای برای حذف رسوبات SiC از رابط ها دارند. در مقایسه، تانتالیومپوشش های کاربید (TaC).مقاومت برتر در برابر جوهای خورنده و دماهای بالا را ارائه می دهند که آنها را به یک فناوری حیاتی برای دستیابی به رشد کریستال SiC بهینه تبدیل می کند.

با نقطه ذوب 3880 درجه سانتیگراد،TaCمقاومت مکانیکی، سختی و مقاومت در برابر شوک حرارتی بالایی دارد. بی اثری شیمیایی و پایداری حرارتی عالی را تحت شرایط دمای بالا شامل آمونیاک، هیدروژن و بخارات حاوی سیلیکون حفظ می کند. مواد گرافیت (کامپوزیت کربن-کربن) با پوششTaCبه عنوان جایگزینی برای قطعات گرافیت با خلوص بالا سنتی، پوشش داده شده با pBN و اجزای پوشش داده شده با SiC بسیار امیدوارکننده هستند. علاوه بر این، در زمینه هوافضا،TaCپتانسیل قابل توجهی برای استفاده به عنوان یک پوشش مقاوم در برابر اکسیداسیون و مقاوم در برابر فرسایش در دمای بالا دارد و چشم انداز کاربرد گسترده ای را ارائه می دهد. با این حال، دستیابی به متراکم، یکنواخت، و بدون لایه برداریپوشش TaCبر روی سطوح گرافیت و ارتقای تولید در مقیاس صنعتی آن چالش های متعددی را به همراه دارد. درک مکانیسم‌های حفاظتی پوشش، نوآوری در فرآیندهای تولید و رقابت با استانداردهای برتر بین‌المللی برای رشد و توسعه همپایه نیمه‌هادی‌های نسل سوم بسیار مهم است.

در نتیجه، توسعه و کاربرد اجزای گرافیت با پوشش TaC برای پیشرفت فناوری رشد ویفر SiC حیاتی است. پرداختن به چالش ها درپوشش TaCآماده سازی و صنعتی سازی کلید تضمین رشد کریستال نیمه هادی با کیفیت بالا و گسترش استفاده ازپوشش های TaCدر کاربردهای مختلف در دمای بالا

1. کاربرد اجزای گرافیت با پوشش TaC

(1) بوته، نگهدارنده کریستال دانه و لوله جریان در داخلرشد PVT تک بلورهای SiC و AlN

در طول روش انتقال فیزیکی بخار (PVT) برای تهیه SiC، کریستال بذر در یک منطقه نسبتاً کم دمای قرار می‌گیرد در حالی که ماده خام SiC در منطقه با دمای بالا (بالای 2400 درجه سانتیگراد) قرار می‌گیرد. مواد خام برای تولید گونه های گازی (SiXCy) تجزیه می شود، که از منطقه با دمای بالا به منطقه دمای پایین که کریستال بذر در آن قرار دارد، منتقل می شود. این فرآیند که شامل هسته‌زایی و رشد برای تشکیل تک بلورها می‌شود، به مواد میدان گرمایی مانند بوته‌ها، حلقه‌های جریان و نگهدارنده‌های کریستال بذری نیاز دارد که در برابر دماهای بالا مقاوم باشند و مواد خام و کریستال‌های SiC را آلوده نکنند. الزامات مشابهی برای رشد تک کریستال AlN وجود دارد، جایی که عناصر گرمایش باید در برابر بخار Al و خوردگی N2 مقاومت کنند و دمای یوتکتیک بالایی داشته باشند تا چرخه آماده سازی کریستال را کوتاه کنند.

مطالعات نشان داده است که با استفاده ازمواد گرافیتی با پوشش TaCدر زمینه گرمایی برای آماده سازی SiC و AlN منجر به کریستال های تمیزتر با ناخالصی های کربن، اکسیژن و نیتروژن کمتر می شود. عیوب لبه به حداقل می رسد، و مقاومت در سراسر مناطق مختلف به طور قابل توجهی کاهش می یابد، همراه با ریز منافذ و چگالی حفره، به شدت کیفیت کریستال را افزایش می دهد. علاوه بر این،TaCبوته کاهش وزن ناچیز و بدون آسیب را نشان می دهد و امکان استفاده مجدد (با طول عمر تا 200 ساعت) را فراهم می کند و پایداری و کارایی آماده سازی تک کریستال را افزایش می دهد.

(2) بخاری در رشد لایه همپایه MOCVD GaN

رشد MOCVD GaN شامل استفاده از فناوری رسوب بخار شیمیایی برای رشد لایه های نازک به صورت همپایه است. دقت و یکنواختی دمای محفظه، بخاری را به یک جزء حیاتی تبدیل کرده است. باید به طور مداوم و یکنواخت بستر را در مدت زمان طولانی گرم کند و در دمای بالا تحت گازهای خورنده پایداری خود را حفظ کند.

برای بهبود عملکرد و قابلیت بازیافت بخاری سیستم MOCVD GaN،گرافیت با پوشش TaCبخاری ها با موفقیت معرفی شده اند. در مقایسه با بخاری‌های سنتی با پوشش‌های pBN، بخاری‌های TaC در ساختار کریستالی، یکنواختی ضخامت، عیوب ذاتی، ناخالصی‌های ناخالصی و سطوح آلودگی عملکرد قابل مقایسه‌ای را نشان می‌دهند. مقاومت کم و تابش سطحیپوشش TaCافزایش کارایی و یکنواختی بخاری، کاهش مصرف انرژی و اتلاف گرما. تخلخل قابل تنظیم پوشش باعث بهبود بیشتر ویژگی های تابش بخاری و افزایش طول عمر آن می شود.گرافیت با پوشش TaCبخاری ها یک انتخاب برتر برای سیستم های رشد MOCVD GaN هستند.

شکل 2. (الف) نمودار شماتیک دستگاه MOCVD برای رشد اپیتاکسیال GaN

(ب) بخاری گرافیتی با روکش TaC که در راه‌اندازی MOCVD نصب شده است، به استثنای پایه و تکیه‌گاه‌ها (داخل پایه و تکیه‌گاه‌ها را در حین گرم کردن نشان می‌دهد)

(ج)بخاری گرافیتی با پوشش TaC پس از 17 چرخه رشد اپیتاکسیال GaN

(3)سینی های پوشش همپایه (حامل ویفر)

حامل های ویفر اجزای ساختاری حیاتی در آماده سازی و رشد همپای ویفرهای نیمه هادی نسل سوم مانند SiC، AlN و GaN هستند. اکثر حامل های ویفر از گرافیت ساخته شده و با SiC پوشش داده شده اند تا در برابر خوردگی گازهای فرآیند مقاومت کنند و در محدوده دمایی 1100 تا 1600 درجه سانتیگراد کار کنند. توانایی ضد خوردگی پوشش محافظ برای طول عمر حامل بسیار مهم است.

تحقیقات نشان می دهد که سرعت خوردگی TaC به طور قابل توجهی کندتر از SiC در محیط های آمونیاکی و هیدروژنی با دمای بالا است.با پوشش TaCسینی ها با فرآیندهای GaN MOCVD آبی سازگارتر است و از ورود ناخالصی جلوگیری می کند. عملکرد LED رشد با استفاده ازحامل های TaCقابل مقایسه با حامل های سنتی SiC است، بابا پوشش TaCسینی هایی که طول عمر برتر را نشان می دهند.

شکل 3. سینی های ویفر مورد استفاده در تجهیزات MOCVD (Veeco P75) برای رشد اپیتاکسیال GaN. سینی سمت چپ با TaC پوشیده شده است، در حالی که سینی سمت راست با SiC پوشیده شده است

2. چالش‌ها در اجزای گرافیت با پوشش TaC

چسبندگی:تفاوت ضریب انبساط حرارتی بینTaCو مواد کربنی منجر به استحکام چسبندگی پوشش کم می شود و آن را مستعد ترک خوردگی، تخلخل و تنش حرارتی می کند که می تواند منجر به پوسته پوسته شدن پوشش در جوهای خورنده و چرخه دمای مکرر شود.

خلوص: پوشش های TaCباید خلوص فوق العاده بالا را حفظ کند تا از وارد شدن ناخالصی ها در دماهای بالا جلوگیری شود. استانداردهایی برای ارزیابی کربن آزاد و ناخالصی های ذاتی در پوشش باید ایجاد شود.

ثبات:مقاومت در برابر دماهای بالای 2300 درجه سانتیگراد و اتمسفرهای شیمیایی بسیار مهم است. عیوب مانند سوراخ‌ها، ترک‌ها و مرزهای دانه‌های تک کریستالی مستعد نفوذ گاز خورنده هستند که منجر به شکست پوشش می‌شود.

مقاومت در برابر اکسیداسیون:TaCدر دمای بالاتر از 500 درجه سانتیگراد شروع به اکسید شدن می کند و Ta2O5 را تشکیل می دهد. سرعت اکسیداسیون با دما و غلظت اکسیژن افزایش می‌یابد، از مرزهای دانه‌ها و دانه‌های کوچک شروع می‌شود که منجر به تخریب قابل‌توجه پوشش و در نهایت پوسته شدن می‌شود.

یکنواختی و ناهمواری: توزیع نامناسب پوشش می تواند باعث تنش حرارتی موضعی شود و خطر ترک خوردگی و پوسته شدن را افزایش دهد. زبری سطح بر فعل و انفعالات با محیط خارجی تأثیر می گذارد و زبری بیشتر منجر به افزایش اصطکاک و میدان های حرارتی ناهموار می شود.

اندازه دانه:اندازه دانه یکنواخت پایداری پوشش را افزایش می دهد، در حالی که دانه های کوچکتر مستعد اکسیداسیون و خوردگی هستند که منجر به افزایش تخلخل و کاهش حفاظت می شود. دانه های بزرگتر می توانند باعث پوسته پوسته شدن ناشی از استرس حرارتی شوند.

3. نتیجه گیری و چشم انداز

اجزای گرافیتی با پوشش TaC دارای تقاضای قابل توجهی در بازار و چشم انداز کاربرد گسترده ای هستند. جریان اصلی تولید ازپوشش های TaCدر حال حاضر به اجزای CVD TaC متکی است، اما هزینه بالا و راندمان رسوب محدود تجهیزات CVD هنوز جایگزین مواد گرافیتی با پوشش SiC سنتی نشده است. روش های تف جوشی می توانند به طور موثر هزینه های مواد خام را کاهش دهند و اشکال پیچیده گرافیت را در خود جای دهند و نیازهای کاربردی متنوع را برآورده کنند. شرکت هایی مانند AFTech، CGT Carbon GmbH و Toyo Tanso بالغ شده اندپوشش TaCفرآیندها و تسلط بر بازار.

در چین، توسعهاجزای گرافیت با پوشش TaCهنوز در مراحل آزمایشی و صنعتی شدن اولیه است. برای پیشرفت صنعت، بهینه سازی روش های آماده سازی فعلی، بررسی فرآیندهای جدید پوشش TaC با کیفیت بالا و درکپوشش TaCمکانیسم های حفاظتی و حالت های خرابی ضروری هستند. در حال گسترشکاربردهای پوشش TaCمستلزم نوآوری مستمر از سوی مؤسسات و شرکت های تحقیقاتی است. با رشد بازار داخلی نسل سوم نیمه هادی ها، تقاضا برای پوشش های با عملکرد بالا افزایش می یابد و جایگزین های داخلی را به روند صنعت آینده تبدیل می کند.**