TaC estalitako grafito osagaien aplikazio eta garapen erronkak

Silizio Karburoaren (SiC) obleen hazkuntzaren testuinguruan, eremu termikoan erabiltzen diren grafitozko material tradizionalak eta karbono-karbono-konpositeek erronka handiak dituzte 2300 °C-ko atmosfera konplexuari jasateko (Si, SiC₂, Si₂C). Material hauek bizitza laburra izateaz gain, labe bateko eta hamarreko labe-zikloren ondoren pieza desberdinak ordezkatu behar dituzte, baina tenperatura altuetan sublimazioa eta hegazkortasuna ere jasaten dituzte. Horrek karbono-inklusioak eta kristalen beste akats batzuk ekar ditzake. Kristal erdieroaleen kalitate handiko eta hazkunde egonkorra bermatzeko, industria-ekoizpen kostuak kontuan hartuta, ezinbestekoa da tenperatura ultra-altuko eta korrosioarekiko erresistenteak diren zeramikazko estaldurak prestatzea grafitoko osagaietan. Estaldura hauek grafitozko piezen iraupena luzatzen dute, ezpurutasunen migrazioa galarazten dute eta kristalen garbitasuna hobetzen dute. SiC epitaxial hazkuntzan, SiC estalitako grafito-baseak normalean kristal bakarreko substratuak eusteko eta berotzeko erabiltzen dira. Hala ere, oinarri hauen bizi-iraupenak hobetu behar du oraindik, eta aldizkako garbiketa behar dute interfazeetatik SiC gordailuak kentzeko. Alderatuz, tantalioaKarburozko (TaC) estaldurakatmosfera korrosiboekiko eta tenperatura altuekiko erresistentzia handiagoa eskaintzen dute, SiC kristalen hazkunde optimoa lortzeko teknologia erabakigarria bihurtuz.

3880 °C-ko fusio-puntua izanik,TaCErresistentzia mekaniko, gogortasun eta shock termikoen erresistentzia handia erakusten du. Inertetasun kimiko bikaina eta egonkortasun termikoa mantentzen ditu tenperatura altuko baldintzetan amoniakoa, hidrogenoa eta silizioa duten lurrunak. Grafitoa (karbono-karbono konposatua) materialekin estalitaTaCOso itxaropentsuak dira purutasun handiko grafito, pBN estalitako eta SiC estalitako osagaien ordezko gisa. Gainera, arlo aeroespazialean,TaCTenperatura altuko oxidazioarekiko eta ablazioarekiko erresistentea den estaldura gisa erabiltzeko potentzial handia du, aplikazio aukera zabalak eskainiz. Hala ere, trinkoa, uniformea ​​eta zuritu gabekoa lortuzTaC estalduragrafitozko gainazaletan eta industria-eskalako ekoizpena sustatzeak hainbat erronka ditu. Estalduraren babes-mekanismoak ulertzea, ekoizpen-prozesuak berritzea eta nazioarteko estandar gorenekin lehiatzea funtsezkoak dira hirugarren belaunaldiko erdieroaleen hazkuntza eta garapen epitaxialerako.

Ondorioz, TaC estalitako grafito osagaien garapena eta aplikazioa funtsezkoak dira SiC obleen hazkuntza teknologia aurreratzeko. Erronkei aurre egiteaTaC estalduraprestatzea eta industrializazioa funtsezkoak izango dira kalitate handiko kristal erdieroaleen hazkundea bermatzeko eta erabilera zabaltzeko.TaC estalduraktenperatura altuko hainbat aplikaziotan.

1. TaC estalitako grafito osagaien aplikazioa

(1) Arragoa, hazi-kristalen euskarria eta fluxu-hodia sartuSiC eta AlN kristal bakarren PVT hazkundea

SiC prestatzeko lurrun-garraio fisikoaren (PVT) metodoan zehar, hazi-kristala tenperatura nahiko baxuko eremu batean jartzen da SiC lehengaia tenperatura altuko eremu batean dagoen bitartean (2400 °C-tik gora). Lehengaia deskonposatzen da gas-espezieak (SiXCy) ekoizteko, eta hauek tenperatura altuko gunetik hazi-kristala dagoen tenperatura baxuko gunera garraiatzen dira. Kristal bakarrak sortzeko nukleazioa eta hazkuntza barne hartzen dituen prozesu honek, bero-eremuko materialak behar ditu, hala nola arragoa, fluxu-eraztunak eta hazi-kristalen euskarriak, tenperatura altuekiko erresistenteak diren eta SiC lehengaia eta kristalak kutsatzen ez dituztenak. AlN kristal bakarreko hazkuntzarako antzeko eskakizunak daude, non berogailuek Al lurruna eta N2 korrosioari aurre egin behar dioten eta tenperatura eutektiko altua izan behar dute kristalak prestatzeko zikloa laburtzeko.

Ikerketek erakutsi dute erabiltzeaTaC estalitako grafitozko materialakSiC eta AlN prestatzeko bero-eremuan karbono, oxigeno eta nitrogeno ezpurutasun gutxiago dituzten kristal garbiagoak sortzen dira. Ertz-akatsak gutxitu egiten dira, eta eskualde ezberdinetan erresistentzia nabarmen murrizten da, mikroporoen eta etch-hobiaren dentsitatearekin batera, kristalaren kalitatea asko hobetuz. Gainera,TaCarragoa pisu galera arbuiagarria erakusten du eta ez du kalterik, berrerabiltzeko aukera ematen du (200 ordurainoko bizitzarekin), kristal bakarreko prestaketaren iraunkortasuna eta eraginkortasuna hobetuz.

(2) Berogailua MOCVD GaN Epitaxial Geruza Hazkundean

MOCVD GaN hazkuntzak lurrun-deposizio kimikoen teknologia erabiltzea dakar film meheak epitaxialki hazteko. Ganbararen tenperaturaren zehaztasunak eta uniformetasunak berogailua funtsezko osagai bihurtzen du. Substratua koherentziaz eta uniformeki berotu behar du denbora luzez eta egonkortasuna mantendu behar du tenperatura altuetan gas korrosiboen azpian.

MOCVD GaN sistemako berogailuaren errendimendua eta birziklagarritasuna hobetzeko,TaC estalitako grafitoaberogailuak arrakastaz sartu dira. pBN estaldura duten berogailu tradizionalekin alderatuta, TaC berogailuek kristal egituran, lodieran uniformetasunean, berezko akatsetan, ezpurutasun-dopatuan eta kutsadura-mailetan errendimendu parekoa erakusten dute. Erresistibitate baxua eta gainazaleko emisioaTaC estalduraberogailuaren eraginkortasuna eta uniformetasuna hobetu, energia-kontsumoa eta beroa xahutzea murriztuz. Estalduraren porositate erregulagarriak berogailuaren erradiazio-ezaugarriak are gehiago hobetzen ditu eta bere bizitza iraupena luzatzen du,TaC estalitako grafitoaberogailuak aukera bikaina dira MOCVD GaN hazkuntza sistemetarako.

2. Irudia (a) GaN epitaxiaren hazkuntzarako MOCVD aparatuaren diagrama eskematikoa

(b) MOCVD konfigurazioan instalatutako TaC estalitako grafitozko berogailua, oinarria eta euskarria izan ezik (txertaketak oinarria eta euskarriak erakusten ditu berotzean)

(c)TaC estalitako grafitozko berogailua GaN epitaxiaren hazkuntzako 17 zikloren ondoren

(3)Epitaxial Estaldura Erretiluak (Obleen Eramaileak)

Wafer-eramaileak SiC, AlN eta GaN bezalako hirugarren belaunaldiko obleen erdieroaleen prestaketan eta hazkunde epitaxialeko osagai estruktural kritikoak dira. Ostia-eramaile gehienak grafitoz eginak dira eta SiCz estalita daude prozesuko gasen korrosioari aurre egiteko, 1100 eta 1600 °C arteko tenperatura tartean funtzionatzen dutenak. Babes-estalduraren korrosioaren aurkako gaitasuna funtsezkoa da garraiolariaren bizitzarako.

Ikerketek adierazten dute TaC-ren korrosio-tasa SiC baino nabarmen motelagoa dela tenperatura altuko amoniako eta hidrogeno-inguruneetan,TaC estalitaerretiluak GaN MOCVD prozesu urdinekin bateragarriagoak eta ezpurutasunen sarrera saihestuz. LED errendimendua erabiliz hazi daTaC eramaileakSiC eramaile tradizionalen parekoa daTaC estalitaerretiluak iraupen handiagoa erakusten dutenak.

3. Irudia. MOCVD ekipoan (Veeco P75) GaN epitaxialean hazteko erabiltzen diren obleen erretiluak. Ezkerreko erretilua TaCz estalita dago, eta eskuineko erretilua, berriz, SiCz

2. TaC estalitako grafito osagaien erronkak

Atxikimendua:Hedapen termikoaren koefizientearen arteko aldeaTaCeta karbonozko materialek estalduraren atxikimendu-indar baxua eragiten dute, pitzadura, porositatea eta estres termikoa izateko joera duena, eta horrek estalduraren espalazioa eragin dezake atmosfera korrosiboetan eta tenperaturaren ziklo errepikatuetan.

Garbitasuna: TaC estaldurakpurutasun oso altua mantendu behar du tenperatura altuetan ezpurutasunak ez sartzeko. Estalduraren barruan karbono askea eta ezpurutasun intrintsekoak ebaluatzeko estandarrak ezarri behar dira.

Egonkortasuna:2300 °C-tik gorako tenperatura altuekiko eta atmosfera kimikoekiko erresistentzia funtsezkoa da. Akatsak, hala nola, zuloak, pitzadurak eta kristal bakarreko ale-mugak gas korrosiboaren infiltrazioa jasaten dute, eta estalduraren porrota eragiten dute.

Oxidazio erresistentzia:TaC500°C-tik gorako tenperaturetan oxidatzen hasten da, Ta2O5 eratuz. Oxidazio-tasa handitzen da tenperatura eta oxigeno-kontzentrazioarekin, ale-mugetatik eta ale txikietatik hasita, estalduraren degradazio nabarmena eta, azkenean, espalazioa eraginez.

Uniformetasuna eta zimurtasuna: estalduraren banaketa koherenteak estres termiko lokalizatua eragin dezake, pitzadura eta espalazio arriskua areagotuz. Gainazaleko zimurtasunak kanpoko ingurunearekiko elkarreraginak eragiten ditu, eta zimurtasun handiagoak marruskadura areagotzea eta eremu termiko irregularrak eragiten ditu.

alearen tamaina:Ale-tamaina uniformeak estalduraren egonkortasuna hobetzen du, eta ale txikiek oxidazioa eta korrosioa izateko joera duten bitartean, porositatea handitzea eta babesa murriztea eragiten du. Ale handiagoek estres termikoak eragindako espalazioa eragin dezakete.

3. Ondorioa eta aurreikuspenak

TaC estalitako grafitoaren osagaiek merkatuaren eskaera handia eta aplikazio aukera zabalak dituzte. -ren ekoizpen nagusiaTaC estaldurakGaur egun, CVD TaC osagaietan oinarritzen da, baina CVD ekipoen kostu altuak eta deposizio-eraginkortasun mugatuak oraindik ez ditu SiC estalitako grafitozko material tradizionalak ordezkatu. Sinterizazio-metodoek lehengaien kostuak modu eraginkorrean murrizten dituzte eta grafito-forma konplexuak moldatu ditzakete, aplikazio-behar anitzak asetzeko. AFTech, CGT Carbon GmbH eta Toyo Tanso bezalako enpresak helduak diraTaC estalduraprozesuak eta merkatua menderatzea.

Txinan, garapenaTaC estalitako grafito osagaiakoraindik bere fase esperimentalean eta industrializazio hasieran dago. Industrian aurrera egiteko, egungo prestaketa-metodoak optimizatuz, kalitate handiko TaC estaldura-prozesu berriak aztertuz eta ulertzea.TaC estaldurababes-mekanismoak eta hutsegite-moduak ezinbestekoak dira. ZabaltzenTaC estaldura aplikazioakikerketa-erakundeen eta enpresen etengabeko berrikuntza eskatzen du. Etxeko hirugarren belaunaldiko erdieroaleen merkatua hazten den heinean, errendimendu handiko estalduraren eskaera handituko da, etxeko alternatibak etorkizuneko industriaren joera bihurtuz.**