Påføring av TaC-belagte grafittdeler i enkeltkrystallovner

Bruk avTaC-belagte grafittdeleri enkeltkrystallovner

DEL 1

I veksten av SiC- og AlN-enkelkrystaller ved bruk av den fysiske damptransportmetoden (PVT) spiller viktige komponenter som smeltedigel, frøholder og styrering en viktig rolle. Som vist i figur 2 [1], under PVT-prosessen, er frøkrystallen plassert i det lavere temperaturområdet, mens SiC-råmaterialet blir utsatt for høyere temperaturer (over 2400 ℃). Dette fører til dekomponering av råmaterialet, og produserer SiXCy-forbindelser (primært inkludert Si, SiC₂, Si₂C, etc.). Dampfasematerialet blir deretter transportert fra høytemperaturområdet til frøkrystallen i lavtemperaturområdet, noe som resulterer i dannelse av frøkjerner, krystallvekst og generering av enkeltkrystaller. Derfor må de termiske feltmaterialene som brukes i denne prosessen, slik som digelen, strømningslederringen og frøkrystallholderen, utvise høytemperaturmotstand uten å forurense SiC-råmaterialene og enkeltkrystallene. Tilsvarende må varmeelementene som brukes i AlN-krystallvekst tåle Al-damp og N2-korrosjon, samtidig som de har en høy eutektisk temperatur (med AlN) for å redusere krystallfremstillingstiden.

Det har blitt observert at bruk av TaC-belagte grafitt termiske feltmaterialer for fremstilling av SiC [2-5] og AlN [2-3] resulterer i renere produkter med minimalt med karbon (oksygen, nitrogen) og andre urenheter. Disse materialene viser færre kantdefekter og lavere resistivitet i hver region. I tillegg reduseres tettheten til mikroporer og etsegroper (etter KOH-etsing) betydelig, noe som fører til en betydelig forbedring i krystallkvaliteten. Videre demonstrerer TaC-digelen nesten null vekttap, opprettholder et ikke-destruktivt utseende og kan resirkuleres (med en levetid på opptil 200 timer), og forbedrer dermed bærekraften og effektiviteten til enkeltkrystallfremstillingsprosesser.

FIG. 2. (a) Skjematisk diagram av SiC enkeltkrystallingot-dyrkingsanordning ved PVT-metoden

(b) Topp TaC-belagt frøbrakett (inkludert SiC-frø)

(c) TAC-belagt grafittstyrering

MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth Heater

DEL/2

Innen MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) GaN-vekst, en avgjørende teknikk for dampepitaksial vekst av tynne filmer gjennom organometalliske dekomponeringsreaksjoner, spiller varmeren en viktig rolle for å oppnå presis temperaturkontroll og jevnhet i reaksjonskammeret. Som illustrert i figur 3 (a), regnes varmeren som kjernekomponenten i MOCVD-utstyr. Dens evne til å raskt og jevnt varme opp underlaget over lengre perioder (inkludert gjentatte kjølesykluser), motstå høye temperaturer (motstå gasskorrosjon) og opprettholde filmrenheten påvirker direkte kvaliteten på filmavsetningen, tykkelseskonsistensen og sponytelsen.

For å forbedre ytelsen og resirkuleringseffektiviteten til varmeovner i MOCVD GaN-vekstsystemer, har introduksjonen av TaC-belagte grafittvarmere vært vellykket. I motsetning til konvensjonelle varmeovner som bruker pBN (pyrolytisk bornitrid)-belegg, viser GaN epitaksiale lag dyrket ved bruk av TaC-varmere nesten identiske krystallstrukturer, jevn tykkelse, dannelse av indre defekter, urenhetsdoping og forurensningsnivåer. Dessuten demonstrerer TaC-belegget lav resistivitet og lav overflateemissivitet, noe som resulterer i forbedret varmeeffektivitet og jevnhet, og reduserer dermed strømforbruket og varmetapet. Ved å kontrollere prosessparametrene kan porøsiteten til belegget justeres for ytterligere å forbedre varmerens strålingsegenskaper og forlenge levetiden [5]. Disse fordelene etablerer TaC-belagte grafittvarmere som et utmerket valg for MOCVD GaN-vekstsystemer.

FIG. 3. (a) Skjematisk diagram av MOCVD-enhet for GaN epitaksial vekst

(b) Støpt TAC-belagt grafittvarmer installert i MOCVD-oppsett, unntatt sokkel og brakett (illustrasjon som viser base og brakett i oppvarming)

(c) TAC-belagt grafittvarmer etter 17 GaN epitaksial vekst. 

Belagt susceptor for epitaksi (waferbærer)

DEL/3

Waferbæreren, en avgjørende strukturell komponent som brukes i fremstillingen av tredjeklasses halvlederskiver som SiC, AlN og GaN, spiller en viktig rolle i epitaksiale wafervekstprosesser. Vanligvis laget av grafitt, er waferbæreren belagt med SiC for å motstå korrosjon fra prosessgasser innenfor et epitaksielt temperaturområde på 1100 til 1600 °C. Korrosjonsmotstanden til det beskyttende belegget påvirker levetiden til waferbæreren betydelig. Eksperimentelle resultater har vist at TaC viser en korrosjonshastighet som er omtrent 6 ganger langsommere enn SiC når den utsettes for høytemperaturammoniakk. I høytemperatur hydrogenmiljøer er korrosjonshastigheten til TaC enda mer enn 10 ganger langsommere enn SiC.

Eksperimentelle bevis har vist at brett belagt med TaC viser utmerket kompatibilitet i GaN MOCVD-prosessen med blått lys uten å introdusere urenheter. Med begrensede prosessjusteringer viser lysdioder dyrket med TaC-bærere sammenlignbar ytelse og ensartethet med de som dyrkes ved bruk av konvensjonelle SiC-bærere. Følgelig overgår levetiden til TaC-belagte waferbærere levetiden til ubelagte og SiC-belagte grafittbærere.

Figur. Waferbrett etter bruk i GaN epitaksial dyrket MOCVD-enhet (Veeco P75). Den til venstre er belagt med TaC og den til høyre er belagt med SiC.

Tilberedning metode for vanligTaC-belagte grafittdeler

DEL 1

CVD (Chemical Vapor Deposition) metode:

Ved 900-2300 ℃, ved bruk av TaCl5 og CnHm som tantal- og karbonkilder, H₂ som reduserende atmosfære, Ar₂as-bæregass, reaksjonsavsetningsfilm. Det forberedte belegget er kompakt, jevnt og med høy renhet. Imidlertid er det noen problemer som komplisert prosess, dyre kostnader, vanskelig luftstrømkontroll og lav avsetningseffektivitet.

DEL/2

Slurry sintringsmetode:

Oppslemmingen som inneholder karbonkilde, tantalkilde, dispergeringsmiddel og bindemiddel blir belagt på grafitten og sintret ved høy temperatur etter tørking. Det forberedte belegget vokser uten vanlig orientering, har lave kostnader og er egnet for storskala produksjon. Det gjenstår å utforske for å oppnå jevn og fullstendig belegg på stor grafitt, eliminere støttedefekter og forbedre beleggets bindekraft.

DEL/3

Plasma sprøytemetode:

TaC-pulver smeltes ved plasmabue ved høy temperatur, forstøves til høytemperaturdråper med høyhastighetsstråle og sprayes på overflaten av grafittmateriale. Det er lett å danne oksidlag under ikke-vakuum, og energiforbruket er stort.

TaC-belagte grafittdeler må løses

DEL 1

Bindende kraft:

Den termiske ekspansjonskoeffisienten og andre fysiske egenskaper mellom TaC og karbonmaterialer er forskjellige, beleggets bindestyrke er lav, det er vanskelig å unngå sprekker, porer og termisk stress, og belegget er lett å skrelle av i den faktiske atmosfæren som inneholder råte og gjentatt heve- og avkjølingsprosess.

DEL/2

Renhet:

TaC-belegg må være ultrahøy renhet for å unngå urenheter og forurensning under høye temperaturforhold, og de effektive innholdsstandardene og karakteriseringsstandardene for fritt karbon og iboende urenheter på overflaten og innsiden av hele belegget må avtales.

DEL/3

Stabilitet:

Høy temperaturbestandighet og motstand mot kjemisk atmosfære over 2300 ℃ er de viktigste indikatorene for å teste beleggets stabilitet. Nålehull, sprekker, manglende hjørner og enkeltorienterte korngrenser er lett å få korrosive gasser til å penetrere og trenge inn i grafitten, noe som resulterer i svikt i beleggbeskyttelsen.

DEL/4

Oksidasjonsmotstand:

TaC begynner å oksidere til Ta2O5 når det er over 500 ℃, og oksidasjonshastigheten øker kraftig med økningen i temperatur og oksygenkonsentrasjon. Overflateoksidasjonen starter fra korngrensene og små korn, og danner gradvis søylekrystaller og knuste krystaller, noe som resulterer i et stort antall hull og hull, og oksygeninfiltrasjonen intensiveres inntil belegget er strippet. Det resulterende oksidlaget har dårlig varmeledningsevne og en rekke farger i utseende.

DEL/5

Ensartethet og ruhet:

Ujevn fordeling av beleggsoverflaten kan føre til lokal termisk spenningskonsentrasjon, noe som øker risikoen for sprekker og avskalling. I tillegg påvirker overflateruhet direkte samspillet mellom belegget og det ytre miljø, og for høy ruhet fører lett til økt friksjon med waferen og ujevnt termisk felt.

DEL/6

Korn størrelse:

Den jevne kornstørrelsen hjelper beleggets stabilitet. Hvis kornstørrelsen er liten, er bindingen ikke tett, og det er lett å bli oksidert og korrodert, noe som resulterer i et stort antall sprekker og hull i kornkanten, noe som reduserer beleggets beskyttende ytelse. Hvis kornstørrelsen er for stor, er den relativt grov, og belegget er lett å flasse av under termisk påkjenning.

Konklusjon og utsikter

Generelt,TaC-belagte grafittdeleri markedet har en stor etterspørsel og et bredt spekter av søknaden prospekter, gjeldendeTaC-belagte grafittdelermainstream i produksjon er å stole på CVD TaC-komponenter. På grunn av de høye kostnadene for CVD TaC-produksjonsutstyr og begrenset avsetningseffektivitet, har imidlertid tradisjonelle SiC-belagte grafittmaterialer ikke blitt erstattet fullstendig. Sintringsmetoden kan effektivt redusere kostnadene for råvarer, og kan tilpasse seg komplekse former av grafittdeler, for å møte behovene til flere forskjellige bruksscenarier.