Mga Hamon sa Application at Development ng TaC Coated Graphite Components

Sa konteksto ng Silicon Carbide (SiC) wafer growth, ang mga tradisyunal na graphite na materyales at carbon-carbon composites na ginagamit sa thermal field ay nahaharap sa mga makabuluhang hamon sa pagtiis sa kumplikadong kapaligiran sa 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Ang mga materyales na ito ay hindi lamang may maikling habang-buhay, na nangangailangan ng pagpapalit ng iba't ibang bahagi pagkatapos ng isa hanggang sampung cycle ng furnace, ngunit nakakaranas din ng sublimation at volatilization sa mataas na temperatura. Ito ay maaaring humantong sa pagbuo ng carbon inclusions at iba pang mga depekto ng kristal. Upang matiyak ang mataas na kalidad at matatag na paglaki ng mga kristal na semiconductor habang isinasaalang-alang ang mga gastos sa produksyong pang-industriya, mahalagang maghanda ng napakataas na temperatura at corrosion-resistant na ceramic coatings sa mga bahagi ng grapayt. Ang mga coatings na ito ay nagpapahaba ng habang-buhay ng mga bahagi ng grapayt, pinipigilan ang paglipat ng karumihan, at pinapahusay ang kadalisayan ng kristal. Sa panahon ng paglaki ng epitaxial ng SiC, ang mga base ng grapayt na pinahiran ng SiC ay karaniwang ginagamit upang suportahan at painitin ang mga solong kristal na substrate. Gayunpaman, ang habang-buhay ng mga base na ito ay nangangailangan pa rin ng pagpapabuti, at nangangailangan sila ng pana-panahong paglilinis upang maalis ang mga deposito ng SiC mula sa mga interface. Kung ikukumpara, TantalumCarbide (TaC) coatingsnag-aalok ng higit na mahusay na pagtutol sa mga kinakaing unti-unting kapaligiran at mataas na temperatura, na ginagawa silang isang mahalagang teknolohiya para sa pagkamit ng pinakamainam na paglago ng kristal ng SiC.

Sa isang punto ng pagkatunaw ng 3880 ° C,TaCnagpapakita ng mataas na mekanikal na lakas, tigas, at thermal shock resistance. Ito ay nagpapanatili ng mahusay na chemical inertness at thermal stability sa ilalim ng mataas na temperatura na mga kondisyon na kinasasangkutan ng ammonia, hydrogen, at mga singaw na naglalaman ng silikon. Graphite (carbon-carbon composite) na materyales na pinahiran ngTaCay lubos na nangangako bilang mga kapalit para sa tradisyonal na high-purity graphite, pBN-coated, at SiC-coated na mga bahagi. Bukod pa rito, sa larangan ng aerospace,TaCay may malaking potensyal para sa paggamit bilang isang mataas na temperatura na lumalaban sa oksihenasyon at lumalaban sa ablation na patong, na nag-aalok ng malawak na mga prospect ng aplikasyon. Gayunpaman, pagkamit ng isang siksik, uniporme, at hindi pagbabalatTaC coatingsa mga ibabaw ng grapayt at pagtataguyod ng produksyong pang-industriya nito ay may ilang hamon. Ang pag-unawa sa mga mekanismo ng proteksyon ng coating, pagbabago ng mga proseso ng produksyon, at pakikipagkumpitensya sa mga nangungunang internasyonal na pamantayan ay mahalaga para sa paglago at epitaxial development ng mga third-generation semiconductors.

Sa konklusyon, ang pagbuo at aplikasyon ng TaC coated graphite component ay kritikal para sa pagsulong ng SiC wafer growth technology. Pagtugon sa mga hamon saTaC coatingpaghahanda at industriyalisasyon ang magiging susi sa pagtiyak ng mataas na kalidad na semiconductor crystal na paglago at pagpapalawak ng paggamit ngTaC coatingssa iba't ibang mga application na may mataas na temperatura.

1. Paglalapat ng TaC Coated Graphite Components

(1) Ang crucible, seed crystal holder at flow tube inPVT Growth ng SiC at AlN Single Crystals

Sa panahon ng paraan ng physical vapor transport (PVT) para sa paghahanda ng SiC, ang seed crystal ay inilalagay sa medyo mababang temperaturang zone habang ang SiC raw na materyal ay nasa high-temperature zone (sa itaas 2400°C). Ang hilaw na materyal ay nabubulok upang makabuo ng mga gaseous species (SiXCy), na dinadala mula sa high-temperature zone patungo sa low-temperature zone kung saan matatagpuan ang seed crystal. Ang prosesong ito, na kinabibilangan ng nucleation at paglaki upang bumuo ng mga solong kristal, ay nangangailangan ng mga materyales sa heat field tulad ng mga crucibles, flow ring, at seed crystal holder na lumalaban sa mataas na temperatura at hindi nakakahawa sa SiC raw na materyal at mga kristal. May mga katulad na kinakailangan para sa AlN single crystal growth, kung saan ang mga heating elements ay dapat lumaban sa Al vapor at N2 corrosion at may mataas na eutectic temperature upang paikliin ang crystal preparation cycle.

Ipinakita ng mga pag-aaral na ang paggamitMga materyal na grapayt na pinahiran ng TaCsa lugar ng init para sa paghahanda ng SiC at AlN ay nagreresulta sa mas malinis na mga kristal na may mas kaunting mga dumi ng carbon, oxygen, at nitrogen. Ang mga depekto sa gilid ay pinaliit, at ang resistivity sa iba't ibang rehiyon ay makabuluhang nabawasan, kasama ang micropore at etch pit density, na lubos na nagpapataas ng kalidad ng kristal. Higit pa rito, angTaCAng crucible ay nagpapakita ng kaunting pagbaba ng timbang at walang pinsala, na nagbibigay-daan para sa muling paggamit (na may habang-buhay na hanggang 200 oras), na nagpapahusay sa pagpapanatili at kahusayan ng solong paghahanda ng kristal.

(2) Ang heater sa MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth

Ang paglago ng MOCVD GaN ay nagsasangkot ng paggamit ng chemical vapor deposition technology upang mapalago ang mga manipis na pelikula nang epitaxially. Ang katumpakan at pagkakapareho ng temperatura ng silid ay gumagawa ng pampainit na isang mahalagang bahagi. Dapat itong pare-pareho at pantay na init ang substrate sa mahabang panahon at mapanatili ang katatagan sa mataas na temperatura sa ilalim ng mga kinakaing gas.

Upang mapabuti ang pagganap at recyclability ng MOCVD GaN system heater,Pinahiran ng TaC graphitematagumpay na naipasok ang mga heater. Kung ikukumpara sa mga tradisyunal na heater na may pBN coatings, ang mga TaC heaters ay nagpapakita ng maihahambing na performance sa crystal structure, kapal ng pagkakapareho, intrinsic na mga depekto, impurity doping, at contamination level. Ang mababang resistivity at surface emissivity ngTaC coatingpahusayin ang kahusayan at pagkakapareho ng pampainit, binabawasan ang pagkonsumo ng enerhiya at pag-aalis ng init. Ang adjustable porosity ng coating ay higit na nagpapabuti sa mga katangian ng radiation ng heater at nagpapahaba ng habang-buhay nito,Pinahiran ng TaC graphiteang mga heaters ay isang mahusay na pagpipilian para sa mga sistema ng paglago ng MOCVD GaN.

Figure 2. (a) Schematic diagram ng MOCVD apparatus para sa GaN epitaxial growth

(b) Nabuo na TaC coated graphite heater na naka-install sa MOCVD setup, hindi kasama ang base at mga suporta (ang inset ay nagpapakita ng base at mga suporta sa panahon ng pag-init)

(c)Pinahiran ng TaC graphite heater pagkatapos ng 17 cycle ng GaN epitaxial growth

(3)Mga Epitaxial Coating Tray (Mga Wafer Carrier)

Ang mga wafer carrier ay mga kritikal na bahagi ng istruktura sa paghahanda at paglago ng epitaxial ng mga third-generation na semiconductor na wafer tulad ng SiC, AlN, at GaN. Karamihan sa mga wafer carrier ay gawa sa graphite at pinahiran ng SiC upang labanan ang kaagnasan mula sa mga prosesong gas, na tumatakbo sa loob ng hanay ng temperatura na 1100 hanggang 1600°C. Ang kakayahang anti-corrosion ng protective coating ay mahalaga para sa habang-buhay ng carrier.

Ipinakikita ng pananaliksik na ang rate ng kaagnasan ng TaC ay makabuluhang mas mabagal kaysa sa SiC sa mataas na temperatura na ammonia at hydrogen na kapaligiran, na ginagawangPinahiran ng TaCmga tray na mas tugma sa mga asul na proseso ng GaN MOCVD at pinipigilan ang pagpapakilala ng karumihan. Lumaki ang pagganap ng LED gamit angMga carrier ng TaCay maihahambing sa mga tradisyunal na SiC carrier, kasama angPinahiran ng TaCmga tray na nagpapakita ng napakahusay na habang-buhay.

Figure 3. Wafer tray na ginagamit sa MOCVD equipment (Veeco P75) para sa GaN epitaxial growth. Ang tray sa kaliwa ay pinahiran ng TaC, habang ang tray sa kanan ay pinahiran ng SiC

2. Mga Hamon sa TaC Coated Graphite Components

Pagdirikit:Ang pagkakaiba sa pagitan ng koepisyent ng pagpapalawak ng thermalTaCat ang mga materyales ng carbon ay nagreresulta sa mababang lakas ng pagkakadikit ng coating, na ginagawa itong madaling ma-crack, porosity, at thermal stress, na maaaring humantong sa coating spallation sa ilalim ng corrosive atmospheres at paulit-ulit na pag-ikot ng temperatura.

kadalisayan: TaC coatingsdapat mapanatili ang napakataas na kadalisayan upang maiwasan ang pagpasok ng mga dumi sa mataas na temperatura. Ang mga pamantayan para sa pagsusuri ng libreng carbon at intrinsic na impurities sa loob ng coating ay kailangang maitatag.

Katatagan:Ang paglaban sa mataas na temperatura sa itaas 2300°C at mga kemikal na kapaligiran ay kritikal. Ang mga depekto tulad ng mga pinholes, mga bitak, at mga hangganan ng solong kristal na butil ay madaling kapitan ng corrosive gas infiltration, na humahantong sa pagkabigo ng coating.

Paglaban sa Oksihenasyon:TaCnagsisimulang mag-oxidize sa temperaturang higit sa 500°C, na bumubuo ng Ta2O5. Ang rate ng oksihenasyon ay tumataas kasabay ng temperatura at konsentrasyon ng oxygen, simula sa mga hangganan ng butil at maliliit na butil, na humahantong sa makabuluhang pagkasira ng coating at sa wakas ay spallation.

Pagkakapareho at Pagkagaspang: Ang hindi pare-parehong pamamahagi ng coating ay maaaring magdulot ng localized thermal stress, na nagpapataas ng panganib ng crack at spallation. Ang pagkamagaspang sa ibabaw ay nakakaapekto sa mga pakikipag-ugnayan sa panlabas na kapaligiran, na may mas mataas na pagkamagaspang na humahantong sa pagtaas ng friction at hindi pantay na mga thermal field.

Laki ng Butil:Ang pare-parehong laki ng butil ay nagpapahusay sa katatagan ng patong, samantalang ang mas maliliit na butil ay madaling kapitan ng oksihenasyon at kaagnasan, na humahantong sa pagtaas ng porosity at pagbaba ng proteksyon. Ang mas malalaking butil ay maaaring magdulot ng thermal stress-induced spallation.

3. Konklusyon at Outlook

Ang mga bahagi ng grapayt na pinahiran ng TaC ay may makabuluhang pangangailangan sa merkado at malawak na mga prospect ng aplikasyon. Ang pangunahing produksyon ngTaC coatingskasalukuyang umaasa sa mga bahagi ng CVD TaC, ngunit ang mataas na gastos at limitadong kahusayan ng pag-deposito ng kagamitan sa CVD ay hindi pa napapalitan ang mga tradisyonal na SiC coated graphite na materyales. Ang mga pamamaraan ng sintering ay maaaring epektibong mabawasan ang mga gastos sa hilaw na materyal at mapaunlakan ang mga kumplikadong hugis ng grapayt, na nakakatugon sa magkakaibang mga pangangailangan sa aplikasyon. Ang mga kumpanya tulad ng AFTech, CGT Carbon GmbH, at Toyo Tanso ay may mature naTaC coatingproseso at mangibabaw sa merkado.

Sa Tsina, ang pag-unlad ngMga bahagi ng grapayt na pinahiran ng TaCay nasa yugto pa rin ng eksperimental at maagang industriyalisasyon. Upang isulong ang industriya, pag-optimize ng mga kasalukuyang paraan ng paghahanda, paggalugad ng mga bagong de-kalidad na proseso ng coating ng TaC, at pag-unawaTaC coatingAng mga mekanismo ng proteksyon at mga mode ng pagkabigo ay mahalaga. LumalawakMga aplikasyon ng TaC coatingnangangailangan ng patuloy na pagbabago mula sa mga institusyon at kumpanya ng pananaliksik. Habang lumalaki ang domestic third-generation semiconductor market, tataas ang demand para sa high-performance coatings, na ginagawang takbo ng industriya sa hinaharap ang mga domestic alternative.**