TaC-kattega grafiitdetailide kasutamine ühekristallahjudes

RakendusTaC-kattega grafiitdetailidSingle Crystal Ahjudes

1. OSA

SiC ja AlN monokristallide kasvatamisel füüsilise aurutranspordi (PVT) meetodil on üliolulised komponendid, nagu tiigel, seemnehoidja ja juhtrõngas, ülioluline. Nagu on kujutatud joonisel 2 [1], asetatakse PVT protsessi ajal algkristall madalama temperatuuriga piirkonda, samal ajal kui ränikarbiidi tooraine puutub kokku kõrgemate temperatuuridega (üle 2400 ℃). See viib toormaterjali lagunemiseni, tekitades SiXCy ühendeid (peamiselt Si, SiC₂, Si2C jne). Seejärel transporditakse aurufaasi materjal kõrge temperatuuriga piirkonnast madala temperatuuriga piirkonna idukristallidele, mille tulemuseks on idutuumade moodustumine, kristallide kasv ja üksikute kristallide teke. Seetõttu peavad selles protsessis kasutatavad soojusvälja materjalid, nagu tiigel, voolujuhtrõngas ja seemnekristallide hoidja, olema kõrgel temperatuuril vastupidavad, saastamata ränikarbiidi toorainet ja monokristalle. Sarnaselt peavad AlN kristallide kasvatamisel kasutatavad kütteelemendid taluma Al-auru ja N2 korrosiooni, omama samal ajal ka kõrget eutektilist temperatuuri (koos AlN-ga), et vähendada kristallide ettevalmistamise aega.

On täheldatud, et TaC-ga kaetud grafiitsoojusvälja materjalide kasutamine SiC [2-5] ja AlN [2-3] valmistamiseks annab puhtamad tooted minimaalse süsiniku (hapnik, lämmastik) ja muude lisanditega. Nendel materjalidel on igas piirkonnas vähem servadefekte ja väiksem takistus. Lisaks väheneb oluliselt mikropooride ja söövitusavade tihedus (pärast KOH söövitamist), mis toob kaasa kristallide kvaliteedi olulise paranemise. Lisaks näitab TaC tiigel peaaegu nulli kaalukaotust, säilitab mittepurustava välimuse ja seda saab taaskasutada (eluiga kuni 200 tundi), suurendades seega monokristallide valmistamise protsesside jätkusuutlikkust ja tõhusust.

joonisel fig. 2. (a) SiC monokristalli valuploki kasvatamise seadme skemaatiline diagramm PVT meetodil

(b) Ülemine TaC-ga kaetud seemneklamber (sealhulgas SiC-seemned)

c) TAC-kattega grafiidist juhtrõngas

MOCVD GaN epitaksiaalse kihi kasvukütteseade

OSA/2

MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) GaN kasvu valdkonnas, mis on ülioluline meetod õhukeste kilede auruepitaksiaalseks kasvatamiseks metallorgaaniliste lagunemisreaktsioonide kaudu, mängib kütteseade üliolulist rolli täpse temperatuuri reguleerimise ja reaktsioonikambri ühtluse saavutamisel. Nagu on näidatud joonisel 3 (a), peetakse kütteseadet MOCVD-seadmete põhikomponendiks. Selle võime substraati kiiresti ja ühtlaselt kuumutada pikema aja jooksul (sealhulgas korduvad jahutustsüklid), taluda kõrgeid temperatuure (vastupidav gaasikorrosioonile) ja säilitada kile puhtust, mõjutab otseselt kile sadestumise kvaliteeti, paksuse konsistentsi ja laastude jõudlust.

Soojendite jõudluse ja ringlussevõtu tõhususe suurendamiseks MOCVD GaN kasvusüsteemides on TaC-kattega grafiitküttekehade kasutuselevõtt olnud edukas. Erinevalt tavapärastest kütteseadmetest, mis kasutavad pBN-i (pürolüütiline boornitriid) katteid, on TaC-soojenditega kasvatatud GaN-i epitaksiaalsetel kihtidel peaaegu identsed kristallstruktuurid, paksuse ühtlus, sisemiste defektide moodustumine, lisandite doping ja saastumise tase. Lisaks näitab TaC kate madalat takistust ja madalat pinnakiirgust, mille tulemuseks on parem küttekeha efektiivsus ja ühtlus, vähendades seeläbi energiatarbimist ja soojuskadu. Protsessi parameetreid reguleerides saab reguleerida katte poorsust, et veelgi parandada küttekeha kiirgusomadusi ja pikendada selle eluiga [5]. Need eelised teevad TaC-kattega grafiitküttekehadest suurepärase valiku MOCVD GaN kasvusüsteemide jaoks.

joonisel fig. 3. (a) MOCVD seadme skemaatiline diagramm GaN epitaksiaalse kasvu jaoks

(b) Vormitud TAC-kattega grafiitkütteseade, mis on paigaldatud MOCVD seadistusse, välja arvatud alus ja kronstein (illustratsioon, mis näitab alust ja kronsteini kuumutamisel)

c ) TAC-ga kaetud grafiidikuumuti pärast 17 GaN epitaksiaalset kasvu. 

Kaetud sustseptor epitaksia jaoks (vahvelkandja)

OSA/3

Vahvlikandur, oluline struktuurikomponent, mida kasutatakse kolmanda klassi pooljuhtplaatide, nagu SiC, AlN ja GaN, valmistamisel, mängib epitaksiaalsetes vahvlite kasvuprotsessides olulist rolli. Tavaliselt grafiidist valmistatud vahvlikandja on kaetud SiC-ga, et takistada protsessigaaside korrosiooni epitaksiaaltemperatuuri vahemikus 1100–1600 °C. Kaitsekatte korrosioonikindlus mõjutab oluliselt vahvlikandja eluiga. Katsetulemused on näidanud, et kõrge temperatuuriga ammoniaagiga kokkupuutel on TaC korrosioonikiirus ligikaudu 6 korda aeglasem kui SiC. Kõrge temperatuuriga vesiniku keskkondades on TaC korrosioonikiirus isegi rohkem kui 10 korda aeglasem kui SiC.

Eksperimentaalsed tõendid on näidanud, et TaC-ga kaetud kandikud sobivad suurepäraselt sinise valguse GaN MOCVD protsessiga ilma lisandeid lisamata. Piiratud protsessi reguleerimisega näitavad TaC kandjaid kasutades kasvatatud LED-id võrreldavat jõudlust ja ühtlust tavaliste SiC kandjatega kasvatatavatega. Järelikult ületab TaC-kattega vahvlikandjate kasutusiga katmata ja SiC-ga kaetud grafiidikandjate oma.

Joonis. Vahvlialus pärast kasutamist GaN epitaksiaalselt kasvatatud MOCVD seadmes (Veeco P75). Vasakpoolne on kaetud TaC-ga ja parempoolne on kaetud SiC-ga.

Ühine valmistamisviisTaC-kattega grafiitdetailid

1. OSA

CVD (keemiline aurustamise-sadestamine) meetod:

Temperatuuril 900-2300 ℃, kasutades tantaali- ja süsinikuallikatena TaCl5 ja CnHm, redutseeriva atmosfäärina H2, kandegaasi Ar2, reaktsioonisadestamise kilet. Valmistatud kate on kompaktne, ühtlane ja kõrge puhtusastmega. Siiski on mõned probleemid, nagu keeruline protsess, kallis hind, keeruline õhuvoolu reguleerimine ja madal sadestusefektiivsus.

OSA/2

Läga paagutamise meetod:

Süsinikuallikat, tantaaliallikat, dispergeerivat ainet ja sideainet sisaldav suspensioon kaetakse grafiidile ja paagutatakse pärast kuivatamist kõrgel temperatuuril. Valmistatud kate kasvab ilma korrapärase orientatsioonita, on madala hinnaga ja sobib suuremahuliseks tootmiseks. Tuleb veel uurida, kuidas saavutada ühtlane ja täielik kate suurel grafiidil, kõrvaldada tugidefektid ja suurendada katte sidumisjõudu.

OSA/3

Plasma pihustamise meetod:

TaC pulber sulatatakse kõrgel temperatuuril plasmakaare abil, pihustatakse kiire joaga kõrge temperatuuriga tilkadeks ja pihustatakse grafiitmaterjali pinnale. Oksiidkihti on lihtne moodustada mittevaakumi all ja energiatarve on suur.

TaC-kattega grafiitdetailid vajavad lahendamist

1. OSA

Sidumisjõud:

TaC ja süsinikmaterjalide soojuspaisumise koefitsient ja muud füüsikalised omadused on erinevad, katte nakkuvustugevus on madal, pragude, pooride ja termilise pinge vältimine on keeruline ning katet on kerge eemaldada tegelikus mädanemist sisaldavas atmosfääris. korduv kerkimis- ja jahutamisprotsess.

OSA/2

Puhtus:

TaC-kate peab olema ülikõrge puhtusastmega, et vältida lisandite tekkimist ja saastumist kõrgel temperatuuril, ning tuleb kokku leppida vaba süsiniku ja sisemiste lisandite tõhusad sisustandardid ja iseloomustusstandardid kogu katte pinnal ja sees.

OSA/3

Stabiilsus:

Kõrge temperatuuritaluvus ja keemilise atmosfääri vastupidavus üle 2300 ℃ on kõige olulisemad näitajad katte stabiilsuse testimiseks. Nõelaugud, praod, puuduvad nurgad ja ühesuunalised terapiirid põhjustavad kergesti söövitavate gaaside tungimist grafiidi sisse ja selle sisse, mille tulemuseks on katte kaitse rike.

OSA/4

Oksüdatsioonikindlus:

TaC hakkab oksüdeeruma Ta2O5-ks, kui see on üle 500 ℃ ja oksüdatsioonikiirus suureneb järsult koos temperatuuri ja hapniku kontsentratsiooni tõusuga. Pinna oksüdatsioon algab terade piiridest ja väikestest teradest ning moodustub järk-järgult sammaskujulised kristallid ja purunenud kristallid, mille tulemuseks on suur hulk tühimikke ja auke ning hapniku infiltratsioon intensiivistub kuni katte eemaldamiseni. Saadud oksiidikihil on halb soojusjuhtivus ja välimus on mitmekesine.

OSA/5

Ühtlikkus ja karedus:

Kattepinna ebaühtlane jaotumine võib põhjustada kohaliku termilise pinge kontsentratsiooni, suurendades pragunemise ja lõhenemise ohtu. Lisaks mõjutab pinnakaredus otseselt katte ja väliskeskkonna vahelist koostoimet ning liiga kõrge karedus põhjustab kergesti hõõrdumise suurenemist vahvliga ja ebaühtlast soojusvälja.

OSA/6

Tera suurus:

Ühtlane terasuurus aitab säilitada katte stabiilsust. Kui tera suurus on väike, ei ole side tihe ning see on kergesti oksüdeeruv ja korrodeeruv, mille tulemuseks on palju pragusid ja auke tera servas, mis vähendab katte kaitsevõimet. Kui tera suurus on liiga suur, on see suhteliselt kare ja kattekihti on termilise stressi korral kerge lahti saada.

Järeldus ja väljavaade

Üldiselt,TaC-ga kaetud grafiitdetailidturul on suur nõudlus ja lai valik rakendusvõimalusi, praeguneTaC-kattega grafiitdetailidTootmise põhivool on tugineda CVD TaC komponentidele. Kuid CVD TaC tootmisseadmete kõrge hinna ja piiratud sadestamise efektiivsuse tõttu ei ole traditsioonilisi ränikarbiidiga kaetud grafiitmaterjale täielikult asendatud. Paagutamismeetod võib tõhusalt vähendada toormaterjalide maksumust ja kohaneda grafiitdetailide keeruka kujuga, et rahuldada erinevate rakendusstsenaariumide vajadusi.