Applicering av TaC-belagda grafitdelar i enkristallugnar

Tillämpning avTaC-belagda grafitdelari enkristallugnar

DEL 1

I tillväxten av SiC- och AlN-enkristaller med hjälp av den fysiska ångtransportmetoden (PVT) spelar avgörande komponenter som degeln, fröhållaren och styrringen en viktig roll. Som visas i figur 2 [1], under PVT-processen, är frökristallen placerad i den lägre temperaturregionen, medan SiC-råmaterialet utsätts för högre temperaturer (över 2400 ℃). Detta leder till nedbrytning av råmaterialet, vilket ger SiXCy-föreningar (i första hand inklusive Si, SiC₂, Si₂C, etc.). Ångfasmaterialet transporteras sedan från högtemperaturområdet till groddkristallen i lågtemperaturområdet, vilket resulterar i bildandet av groddkärnor, kristalltillväxt och generering av enkristaller. Därför måste de termiska fältmaterialen som används i denna process, såsom degeln, flödesstyrringen och frökristallhållaren, uppvisa högtemperaturbeständighet utan att förorena SiC-råmaterialen och enkristallerna. På liknande sätt måste värmeelementen som används vid AlN-kristalltillväxt motstå Al-ånga och N2-korrosion, samtidigt som de har en hög eutektisk temperatur (med AlN) för att minska kristallberedningstiden.

Det har observerats att användning av TaC-belagda termiska grafitmaterial för framställning av SiC [2-5] och AlN [2-3] resulterar i renare produkter med minimalt med kol (syre, kväve) och andra föroreningar. Dessa material uppvisar färre kantdefekter och lägre resistivitet i varje region. Dessutom reduceras tätheten av mikroporer och etsgropar (efter KOH-etsning) avsevärt, vilket leder till en avsevärd förbättring av kristallkvaliteten. Dessutom visar TaC-degeln nästan noll viktminskning, bibehåller ett oförstörande utseende och kan återvinnas (med en livslängd på upp till 200 timmar), vilket förbättrar hållbarheten och effektiviteten i enkristallberedningsprocesser.

FIKON. 2. (a) Schematiskt diagram av SiC enkristallgötodlingsanordning med PVT-metoden

(b) Översta TaC-belagda fröfäste (inklusive SiC-frö)

(c) TAC-belagd grafitstyrring

MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth Heater

DEL 2

Inom området MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) GaN-tillväxt, en avgörande teknik för ångepitaxiell tillväxt av tunna filmer genom organometalliska nedbrytningsreaktioner, spelar värmaren en viktig roll för att uppnå exakt temperaturkontroll och enhetlighet i reaktionskammaren. Som illustreras i figur 3 (a) anses värmaren vara kärnkomponenten i MOCVD-utrustning. Dess förmåga att snabbt och jämnt värma upp substratet under långa perioder (inklusive upprepade kylcykler), motstå höga temperaturer (motstå gaskorrosion) och bibehålla filmens renhet påverkar direkt kvaliteten på filmavsättningen, tjocklekens konsistens och spånprestanda.

För att förbättra prestanda och återvinningseffektivitet för värmare i MOCVD GaN-tillväxtsystem har introduktionen av TaC-belagda grafitvärmare varit framgångsrik. I motsats till konventionella värmare som använder pBN-beläggningar (pyrolytisk bornitrid) uppvisar GaN-epitaxialskikt odlade med TaC-värmare nästan identiska kristallstrukturer, tjocklekslikformighet, bildning av inneboende defekter, föroreningsdopning och föroreningsnivåer. Dessutom uppvisar TaC-beläggningen låg resistivitet och låg ytemissivitet, vilket resulterar i förbättrad värmeeffektivitet och enhetlighet, vilket minskar strömförbrukningen och värmeförlusten. Genom att kontrollera processparametrarna kan beläggningens porositet justeras för att ytterligare förbättra värmarens strålningsegenskaper och förlänga dess livslängd [5]. Dessa fördelar etablerar TaC-belagda grafitvärmare som ett utmärkt val för MOCVD GaN-tillväxtsystem.

FIKON. 3. (a) Schematiskt diagram av MOCVD-anordning för GaN epitaxiell tillväxt

(b) Gjuten TAC-belagd grafitvärmare installerad i MOCVD-uppställning, exklusive bas och fäste (illustration som visar bas och fäste vid uppvärmning)

(c) TAC-belagd grafitvärmare efter 17 GaN epitaxiell tillväxt. 

Belagd susceptor för epitaxi (waferbärare)

DEL/3

Waferbäraren, en avgörande strukturell komponent som används vid framställningen av tredje klassens halvledarwafers såsom SiC, AlN och GaN, spelar en viktig roll i epitaxiella wafertillväxtprocesser. Vanligtvis tillverkad av grafit, är waferbäraren belagd med SiC för att motstå korrosion från processgaser inom ett epitaxiellt temperaturområde på 1100 till 1600 °C. Korrosionsbeständigheten hos den skyddande beläggningen påverkar avsevärt waferbärarens livslängd. Experimentella resultat har visat att TaC uppvisar en korrosionshastighet som är ungefär 6 gånger långsammare än SiC när den utsätts för högtemperaturammoniak. I vätgasmiljöer med hög temperatur är korrosionshastigheten för TaC till och med mer än 10 gånger långsammare än SiC.

Experimentella bevis har visat att brickor belagda med TaC uppvisar utmärkt kompatibilitet i GaN MOCVD-processen med blått ljus utan att införa föroreningar. Med begränsade processjusteringar visar lysdioder som odlats med TaC-bärare jämförbar prestanda och enhetlighet med de som odlas med konventionella SiC-bärare. Följaktligen överstiger livslängden för TaC-belagda waferbärare den för obelagda och SiC-belagda grafitbärare.

Figur. Waferbricka efter användning i GaN epitaxiellt odlad MOCVD-enhet (Veeco P75). Den till vänster är belagd med TaC och den till höger är belagd med SiC.

Beredningsmetod av vanligtTaC-belagda grafitdelar

DEL 1

CVD (Chemical Vapor Deposition) metod:

Vid 900-2300 ℃, med TaCl5 och CnHm som tantal- och kolkällor, H₂ som reducerande atmosfär, Ar₂as-bärargas, reaktionsavsättningsfilm. Den förberedda beläggningen är kompakt, enhetlig och hög renhet. Det finns dock vissa problem såsom komplicerad process, dyr kostnad, svår luftflödeskontroll och låg deponeringseffektivitet.

DEL 2

Slurry sintringsmetod:

Uppslamningen som innehåller kolkälla, tantalkälla, dispergeringsmedel och bindemedel beläggs på grafiten och sintras vid hög temperatur efter torkning. Den förberedda beläggningen växer utan regelbunden orientering, har låg kostnad och är lämplig för storskalig produktion. Det återstår att utforska för att uppnå enhetlig och fullständig beläggning på stor grafit, eliminera stöddefekter och förbättra beläggningens bindningskraft.

DEL/3

Plasmasprutningsmetod:

TaC-pulver smälts av plasmabåge vid hög temperatur, finfördelas till högtemperaturdroppar med höghastighetsstråle och sprutas på ytan av grafitmaterial. Det är lätt att bilda oxidskikt under icke-vakuum, och energiförbrukningen är stor.

TaC-belagda grafitdelar måste lösas

DEL 1

Bindande kraft:

Den termiska expansionskoefficienten och andra fysikaliska egenskaper mellan TaC och kolmaterial är olika, beläggningens bindningsstyrka är låg, det är svårt att undvika sprickor, porer och termisk stress, och beläggningen är lätt att skala av i den faktiska atmosfären som innehåller röta och upprepad jäsnings- och kylningsprocess.

DEL 2

Renhet:

TaC-beläggning måste vara ultrahög renhet för att undvika föroreningar och föroreningar under höga temperaturer, och de effektiva innehållsstandarderna och karakteriseringsstandarderna för fritt kol och inneboende föroreningar på ytan och insidan av den fullständiga beläggningen måste överenskommas.

DEL/3

Stabilitet:

Hög temperaturbeständighet och kemisk atmosfärbeständighet över 2300 ℃ är de viktigaste indikatorerna för att testa beläggningens stabilitet. Pinholes, sprickor, saknade hörn och enkelorienterade korngränser är lätta att orsaka frätande gaser att penetrera och tränga in i grafiten, vilket resulterar i att beläggningsskyddet misslyckas.

DEL/4

Oxidationsmotstånd:

TaC börjar oxidera till Ta2O5 när det är över 500 ℃, och oxidationshastigheten ökar kraftigt med ökningen av temperatur och syrekoncentration. Ytoxidationen startar från korngränserna och små korn och bildar gradvis kolumnformade kristaller och brutna kristaller, vilket resulterar i ett stort antal luckor och hål, och syreinfiltrationen intensifieras tills beläggningen avlägsnas. Det resulterande oxidskiktet har dålig värmeledningsförmåga och en mängd olika färger i utseende.

DEL/5

Enhet och grovhet:

Ojämn fördelning av beläggningsytan kan leda till lokal termisk spänningskoncentration, vilket ökar risken för sprickbildning och sprickbildning. Ytjämnheten påverkar dessutom direkt interaktionen mellan beläggningen och den yttre miljön, och för hög grovhet leder lätt till ökad friktion med wafern och ojämnt termiskt fält.

DEL/6

Kornstorlek:

Den enhetliga kornstorleken hjälper beläggningens stabilitet. Om kornstorleken är liten är bindningen inte tät, och den är lätt att oxideras och korroderas, vilket resulterar i ett stort antal sprickor och hål i kornkanten, vilket minskar beläggningens skyddande prestanda. Om kornstorleken är för stor är den relativt grov och beläggningen är lätt att flaga av under termisk stress.

Slutsats och utsikter

I allmänhet,TaC-belagda grafitdelarpå marknaden har en enorm efterfrågan och ett brett utbud av tillämpningsmöjligheter, den nuvarandeTaC-belagda grafitdelartillverkning mainstream är att förlita sig på CVD TaC komponenter. Men på grund av den höga kostnaden för CVD TaC-produktionsutrustning och begränsad avsättningseffektivitet har traditionella SiC-belagda grafitmaterial inte helt ersatts. Sintringsmetoden kan effektivt minska kostnaderna för råmaterial och kan anpassa sig till komplexa former av grafitdelar, för att möta behoven hos fler olika applikationsscenarier.