Anwendungs- und Entwicklungsherausforderungen von TaC-beschichteten Graphitkomponenten

Im Kontext des Waferwachstums aus Siliziumkarbid (SiC) stehen traditionelle Graphitmaterialien und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, die im thermischen Bereich verwendet werden, vor erheblichen Herausforderungen, der komplexen Atmosphäre bei 2300 °C (Si, SiC₂, Si₂C) standzuhalten. Diese Materialien haben nicht nur eine kurze Lebensdauer, sodass verschiedene Teile nach ein bis zehn Ofenzyklen ausgetauscht werden müssen, sondern unterliegen auch der Sublimation und Verflüchtigung bei hohen Temperaturen. Dies kann zur Bildung von Kohlenstoffeinschlüssen und anderen Kristallfehlern führen. Um die hohe Qualität und das stabile Wachstum von Halbleiterkristallen unter Berücksichtigung der industriellen Produktionskosten sicherzustellen, ist es unerlässlich, ultrahochtemperatur- und korrosionsbeständige Keramikbeschichtungen auf Graphitbauteilen herzustellen. Diese Beschichtungen verlängern die Lebensdauer von Graphitteilen, hemmen die Migration von Verunreinigungen und verbessern die Kristallreinheit. Während des epitaktischen SiC-Wachstums werden SiC-beschichtete Graphitbasen typischerweise zur Unterstützung und Erwärmung von Einkristallsubstraten verwendet. Die Lebensdauer dieser Basen muss jedoch noch verbessert werden und sie müssen regelmäßig gereinigt werden, um SiC-Ablagerungen von den Schnittstellen zu entfernen. Im Vergleich dazu TantalHartmetall (TaC)-Beschichtungenbieten eine hervorragende Beständigkeit gegenüber korrosiven Atmosphären und hohen Temperaturen und sind daher eine entscheidende Technologie für die Erzielung eines optimalen SiC-Kristallwachstums.

Mit einem Schmelzpunkt von 3880°C,TaCweist eine hohe mechanische Festigkeit, Härte und Temperaturwechselbeständigkeit auf. Es behält eine ausgezeichnete chemische Inertheit und thermische Stabilität unter Hochtemperaturbedingungen mit Ammoniak, Wasserstoff und siliziumhaltigen Dämpfen bei. Graphitmaterialien (Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff), beschichtet mitTaCsind vielversprechend als Ersatz für herkömmliche hochreine Graphit-, pBN-beschichtete und SiC-beschichtete Komponenten. Darüber hinaus sind im Luft- und RaumfahrtbereichTaCverfügt über ein erhebliches Potenzial für den Einsatz als Oxidations- und Ablationsbeständige Beschichtung bei hohen Temperaturen und bietet breite Anwendungsaussichten. Es wird jedoch eine dichte, gleichmäßige und nicht abblätternde Oberfläche erreichtTaC-Beschichtungauf Graphitoberflächen und die Förderung seiner Produktion im industriellen Maßstab stellen mehrere Herausforderungen dar. Das Verständnis der Schutzmechanismen der Beschichtung, die Innovation von Produktionsprozessen und der Wettbewerb mit führenden internationalen Standards sind entscheidend für das Wachstum und die epitaktische Entwicklung von Halbleitern der dritten Generation.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung und Anwendung von TaC-beschichteten Graphitkomponenten für die Weiterentwicklung der SiC-Wafer-Wachstumstechnologie von entscheidender Bedeutung ist. Bewältigung der Herausforderungen inTaC-BeschichtungVorbereitung und Industrialisierung werden der Schlüssel zur Gewährleistung eines qualitativ hochwertigen Halbleiterkristallwachstums und zur Ausweitung der Verwendung seinTaC-Beschichtungenin verschiedenen Hochtemperaturanwendungen.

1. Anwendung von TaC-beschichteten Graphitkomponenten

(1) Der Tiegel, der Impfkristallhalter und das DurchflussrohrPVT-Wachstum von SiC- und AlN-Einkristallen

Beim physikalischen Dampftransportverfahren (PVT) zur SiC-Herstellung wird der Impfkristall in eine Zone relativ niedriger Temperatur gebracht, während sich das SiC-Rohmaterial in einer Zone hoher Temperatur (über 2400 °C) befindet. Das Rohmaterial zersetzt sich und erzeugt gasförmige Spezies (SiXCy), die von der Hochtemperaturzone in die Niedertemperaturzone transportiert werden, in der sich der Impfkristall befindet. Dieser Prozess, der die Keimbildung und das Wachstum zur Bildung von Einkristallen umfasst, erfordert Wärmefeldmaterialien wie Tiegel, Strömungsringe und Impfkristallhalter, die hohen Temperaturen standhalten und das SiC-Rohmaterial und die SiC-Kristalle nicht verunreinigen. Ähnliche Anforderungen bestehen für die Züchtung von AlN-Einkristallen, wo Heizelemente Al-Dampf und N2-Korrosion widerstehen und eine hohe eutektische Temperatur aufweisen müssen, um den Kristallvorbereitungszyklus zu verkürzen.

Studien haben gezeigt, dass die Verwendung vonTaC-beschichtete Graphitmaterialienim Wärmefeld für die SiC- und AlN-Herstellung führt zu saubereren Kristallen mit weniger Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffverunreinigungen. Die Randdefekte werden minimiert und der spezifische Widerstand über verschiedene Bereiche hinweg wird zusammen mit der Mikroporen- und Ätzgrubendichte erheblich reduziert, was die Kristallqualität erheblich verbessert. Darüber hinaus ist dieTaCDer Tiegel weist einen vernachlässigbaren Gewichtsverlust und keine Schäden auf, was eine Wiederverwendung (mit einer Lebensdauer von bis zu 200 Stunden) ermöglicht und die Nachhaltigkeit und Effizienz der Einkristallherstellung verbessert.

(2) Die Heizung beim MOCVD-GaN-Epitaxieschichtwachstum

Beim MOCVD-GaN-Wachstum wird die chemische Gasphasenabscheidungstechnologie eingesetzt, um dünne Filme epitaktisch wachsen zu lassen. Die Präzision und Gleichmäßigkeit der Kammertemperatur machen die Heizung zu einem entscheidenden Bauteil. Es muss das Substrat über lange Zeiträume gleichmäßig und gleichmäßig erwärmen und bei hohen Temperaturen unter korrosiven Gasen stabil bleiben.

Um die Leistung und Recyclingfähigkeit der MOCVD-GaN-Systemheizung zu verbessern,TaC-beschichteter GraphitHeizgeräte wurden erfolgreich eingeführt. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizgeräten mit pBN-Beschichtung weisen TaC-Heizgeräte eine vergleichbare Leistung in Bezug auf Kristallstruktur, Gleichmäßigkeit der Dicke, intrinsische Defekte, Dotierung mit Verunreinigungen und Verschmutzungsgrad auf. Der niedrige spezifische Widerstand und Oberflächenemissionsgrad desTaC-BeschichtungVerbessern Sie die Effizienz und Gleichmäßigkeit des Heizgeräts und reduzieren Sie den Energieverbrauch und die Wärmeableitung. Die einstellbare Porosität der Beschichtung verbessert die Strahlungseigenschaften des Heizgeräts weiter und verlängert seine LebensdauerTaC-beschichteter GraphitHeizgeräte sind eine hervorragende Wahl für MOCVD-GaN-Wachstumssysteme.

Abbildung 2. (a) Schematische Darstellung des MOCVD-Geräts für das epitaktische Wachstum von GaN

(b) Heizgerät aus geformtem TaC-beschichtetem Graphit, installiert im MOCVD-Aufbau, ohne Basis und Stützen (der Einschub zeigt die Basis und Stützen während des Erhitzens)

(C)TaC-beschichteter Graphitheizer nach 17 Zyklen epitaktischen GaN-Wachstums

(3)Epitaktische Beschichtungsschalen (Waferträger)

Waferträger sind entscheidende Strukturkomponenten bei der Vorbereitung und dem epitaktischen Wachstum von Halbleiterwafern der dritten Generation wie SiC, AlN und GaN. Die meisten Waferträger bestehen aus Graphit und sind mit SiC beschichtet, um Korrosion durch Prozessgase zu widerstehen. Sie werden in einem Temperaturbereich von 1100 bis 1600 °C betrieben. Die Korrosionsschutzfähigkeit der Schutzbeschichtung ist entscheidend für die Lebensdauer des Trägers.

Untersuchungen zeigen, dass die Korrosionsrate von TaC in Hochtemperatur-Ammoniak- und Wasserstoffumgebungen deutlich langsamer ist als die von SiCTaC-beschichtetDie Schalen sind besser mit blauen GaN-MOCVD-Prozessen kompatibel und verhindern die Einführung von Verunreinigungen. LED-Leistung gewachsen mitTaC-Trägerist mit herkömmlichen SiC-Trägern vergleichbarTaC-beschichtetTabletts mit überragender Lebensdauer.

Abbildung 3. Waferschalen, die in der MOCVD-Anlage (Veeco P75) für das epitaktische GaN-Wachstum verwendet werden. Die linke Schale ist mit TaC beschichtet, während die rechte Schale mit SiC beschichtet ist

2. Herausforderungen bei TaC-beschichteten Graphitkomponenten

Adhäsion:Der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischenTaCund Kohlenstoffmaterialien führt zu einer geringen Haftfestigkeit der Beschichtung und macht sie anfällig für Risse, Porosität und thermische Belastung, was unter korrosiven Atmosphären und wiederholten Temperaturwechseln zum Abplatzen der Beschichtung führen kann.

Reinheit: TaC-BeschichtungenEs muss eine extrem hohe Reinheit gewährleistet sein, um das Einbringen von Verunreinigungen bei hohen Temperaturen zu vermeiden. Es müssen Standards für die Bewertung von freiem Kohlenstoff und intrinsischen Verunreinigungen innerhalb der Beschichtung festgelegt werden.

Stabilität:Die Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen über 2300 °C und chemischen Atmosphären ist von entscheidender Bedeutung. Defekte wie Nadellöcher, Risse und Einkristallkorngrenzen sind anfällig für das Eindringen korrosiver Gase, was zum Versagen der Beschichtung führt.

Oxidationsbeständigkeit:TaCbeginnt bei Temperaturen über 500 °C zu oxidieren und bildet Ta2O5. Die Oxidationsrate nimmt mit der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration zu, beginnend an den Korngrenzen und kleinen Körnern, was zu einer erheblichen Verschlechterung der Beschichtung und schließlich zur Abplatzung führt.

Gleichmäßigkeit und Rauheit: Eine inkonsistente Beschichtungsverteilung kann zu örtlicher thermischer Spannung führen und das Risiko von Rissen und Abplatzungen erhöhen. Die Oberflächenrauheit beeinflusst die Wechselwirkungen mit der äußeren Umgebung, wobei eine höhere Rauheit zu erhöhter Reibung und ungleichmäßigen Wärmefeldern führt.

Körnung:Eine gleichmäßige Korngröße verbessert die Beschichtungsstabilität, während kleinere Körner anfällig für Oxidation und Korrosion sind, was zu erhöhter Porosität und verringertem Schutz führt. Größere Körner können durch thermische Belastung zu Abplatzungen führen.

3. Fazit und Ausblick

TaC-beschichtete Graphitkomponenten haben eine große Marktnachfrage und breite Anwendungsaussichten. Die Mainstream-Produktion vonTaC-Beschichtungensetzt derzeit auf CVD-TaC-Komponenten, aber die hohen Kosten und die begrenzte Abscheidungseffizienz von CVD-Geräten haben herkömmliche SiC-beschichtete Graphitmaterialien noch nicht ersetzt. Sinterverfahren können die Rohstoffkosten effektiv senken und komplexe Graphitformen ermöglichen, um vielfältige Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Unternehmen wie AFTech, CGT Carbon GmbH und Toyo Tanso sind erwachsen gewordenTaC-BeschichtungProzesse und dominieren den Markt.

In China ist die Entwicklung vonTaC-beschichtete Graphitkomponentenbefindet sich noch im experimentellen und frühen Industrialisierungsstadium. Um die Branche voranzubringen, aktuelle Vorbereitungsmethoden zu optimieren, neue hochwertige TaC-Beschichtungsverfahren zu erforschen und zu verstehenTaC-BeschichtungSchutzmechanismen und Fehlermodi sind unerlässlich. ErweiternTaC-Beschichtungsanwendungenerfordert kontinuierliche Innovation von Forschungseinrichtungen und Unternehmen. Da der inländische Markt für Halbleiter der dritten Generation wächst, wird die Nachfrage nach Hochleistungsbeschichtungen steigen, sodass heimische Alternativen zum künftigen Branchentrend werden.**