Desafios de aplicação e desenvolvimento de componentes de grafite revestidos com TaC

No contexto do crescimento de wafers de carboneto de silício (SiC), os materiais tradicionais de grafite e os compósitos carbono-carbono usados ​​no campo térmico enfrentam desafios significativos para resistir à atmosfera complexa a 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Esses materiais não só têm uma vida útil curta, exigindo a substituição de diferentes peças após um a dez ciclos de forno, mas também sofrem sublimação e volatilização em altas temperaturas. Isto pode levar à formação de inclusões de carbono e outros defeitos cristalinos. Para garantir a alta qualidade e o crescimento estável dos cristais semicondutores, considerando os custos de produção industrial, é essencial preparar revestimentos cerâmicos resistentes à corrosão e a temperaturas ultra-altas em componentes de grafite. Esses revestimentos prolongam a vida útil das peças de grafite, inibem a migração de impurezas e melhoram a pureza do cristal. Durante o crescimento epitaxial do SiC, as bases de grafite revestidas com SiC são normalmente usadas para suportar e aquecer substratos de cristal único. Porém, a vida útil dessas bases ainda precisa de melhorias, e elas necessitam de limpeza periódica para remover depósitos de SiC das interfaces. Em comparação, o tântaloRevestimentos de metal duro (TaC)oferecem resistência superior a atmosferas corrosivas e altas temperaturas, tornando-os uma tecnologia crucial para alcançar o crescimento ideal de cristais de SiC.

Com um ponto de fusão de 3880°C,TaCapresenta alta resistência mecânica, dureza e resistência ao choque térmico. Mantém excelente inércia química e estabilidade térmica sob condições de alta temperatura envolvendo vapores contendo amônia, hidrogênio e silício. Materiais de grafite (composto carbono-carbono) revestidos comTaCsão altamente promissores como substitutos para componentes tradicionais de grafite de alta pureza, revestidos com pBN e revestidos com SiC. Além disso, no campo aeroespacial,TaCtem um potencial significativo para uso como revestimento resistente à oxidação e à ablação em altas temperaturas, oferecendo amplas perspectivas de aplicação. No entanto, conseguir uma aparência densa, uniforme e sem descamaçãoRevestimento TaCem superfícies de grafite e promover a sua produção em escala industrial apresentam vários desafios. Compreender os mecanismos de proteção do revestimento, inovar os processos de produção e competir com os principais padrões internacionais são cruciais para o crescimento e o desenvolvimento epitaxial dos semicondutores de terceira geração.

Em conclusão, o desenvolvimento e a aplicação de componentes de grafite revestidos com TaC são críticos para o avanço da tecnologia de crescimento de wafers de SiC. Enfrentando os desafios emRevestimento TaCpreparação e industrialização serão fundamentais para garantir o crescimento de cristais semicondutores de alta qualidade e expandir o uso deRevestimentos TaCem diversas aplicações de alta temperatura.

1. Aplicação de componentes de grafite revestidos com TaC

(1) O cadinho, o suporte do cristal semente e o tubo de fluxoCrescimento PVT de cristais únicos de SiC e AlN

Durante o método de transporte físico de vapor (PVT) para preparação de SiC, o cristal semente é colocado em uma zona de temperatura relativamente baixa, enquanto a matéria-prima de SiC está em uma zona de alta temperatura (acima de 2.400°C). A matéria-prima se decompõe para produzir espécies gasosas (SiXCy), que são transportadas da zona de alta temperatura para a zona de baixa temperatura onde está localizado o cristal-semente. Este processo, que inclui nucleação e crescimento para formar cristais únicos, requer materiais de campo térmico, como cadinhos, anéis de fluxo e suportes de cristal semente que sejam resistentes a altas temperaturas e não contaminem a matéria-prima e os cristais de SiC. Existem requisitos semelhantes para o crescimento de cristais únicos de AlN, onde os elementos de aquecimento devem resistir ao vapor de Al e à corrosão do N2 e ter uma alta temperatura eutética para encurtar o ciclo de preparação do cristal.

Estudos demonstraram que o usoMateriais de grafite revestidos com TaCno campo de calor para a preparação de SiC e AlN resulta em cristais mais limpos com menos impurezas de carbono, oxigênio e nitrogênio. Os defeitos nas bordas são minimizados e a resistividade em diferentes regiões é significativamente reduzida, juntamente com as densidades de microporos e de corrosão, melhorando bastante a qualidade do cristal. Além disso, oTaCO cadinho apresenta perda de peso insignificante e nenhum dano, permitindo a reutilização (com vida útil de até 200 horas), aumentando a sustentabilidade e a eficiência da preparação de monocristal.

(2) O aquecedor no crescimento da camada epitaxial MOCVD GaN

O crescimento do MOCVD GaN envolve o uso de tecnologia de deposição química de vapor para fazer crescer filmes finos epitaxialmente. A precisão e uniformidade da temperatura da câmara fazem do aquecedor um componente crucial. Deve aquecer o substrato de forma consistente e uniforme durante longos períodos e manter a estabilidade em altas temperaturas sob gases corrosivos.

Para melhorar o desempenho e a reciclabilidade do aquecedor do sistema MOCVD GaN,Grafite revestida com TaCaquecedores foram introduzidos com sucesso. Comparados aos aquecedores tradicionais com revestimentos de pBN, os aquecedores TaC apresentam desempenho comparável em estrutura cristalina, uniformidade de espessura, defeitos intrínsecos, dopagem de impurezas e níveis de contaminação. A baixa resistividade e emissividade superficial doRevestimento TaCaumente a eficiência e uniformidade do aquecedor, reduzindo o consumo de energia e a dissipação de calor. A porosidade ajustável do revestimento melhora ainda mais as características de radiação do aquecedor e prolonga a sua vida útil, tornando-oGrafite revestida com TaCaquecedores uma escolha superior para sistemas de crescimento MOCVD GaN.

Figura 2. (a) Diagrama esquemático do aparelho MOCVD para crescimento epitaxial de GaN

(b) Aquecedor de grafite revestido com TaC instalado na configuração MOCVD, excluindo a base e os suportes (a inserção mostra a base e os suportes durante o aquecimento)

(c)Aquecedor de grafite revestido com TaC após 17 ciclos de crescimento epitaxial de GaN

(3)Bandejas de revestimento epitaxial (portadores de wafer)

Os portadores de wafer são componentes estruturais críticos na preparação e no crescimento epitaxial de wafers semicondutores de terceira geração, como SiC, AlN e GaN. A maioria dos transportadores de wafer são feitos de grafite e revestidos com SiC para resistir à corrosão dos gases do processo, operando em uma faixa de temperatura de 1.100 a 1.600°C. A capacidade anticorrosiva do revestimento protetor é crucial para a vida útil do transportador.

A pesquisa indica que a taxa de corrosão do TaC é significativamente mais lenta do que a do SiC em ambientes de alta temperatura com amônia e hidrogênio, tornandoRevestido com TaCbandejas mais compatíveis com processos Blue GaN MOCVD e evitando a introdução de impurezas. Desempenho do LED aumentado usandoPortadoras TaCé comparável às operadoras tradicionais de SiC, com oRevestido com TaCbandejas demonstrando vida útil superior.

Figura 3. Bandejas de wafer utilizadas no equipamento MOCVD (Veeco P75) para crescimento epitaxial de GaN. A bandeja da esquerda é revestida com TaC, enquanto a bandeja da direita é revestida com SiC

2. Desafios em componentes de grafite revestidos com TaC

Adesão:A diferença do coeficiente de expansão térmica entreTaCe materiais de carbono resultam em baixa resistência de adesão do revestimento, tornando-o propenso a rachaduras, porosidade e estresse térmico, o que pode levar à fragmentação do revestimento sob atmosferas corrosivas e repetidos ciclos de temperatura.

Pureza: Revestimentos TaCdeve manter uma pureza ultra-alta para evitar a introdução de impurezas em altas temperaturas. É necessário estabelecer padrões para avaliar o carbono livre e as impurezas intrínsecas no revestimento.

Estabilidade:A resistência a altas temperaturas acima de 2300°C e atmosferas químicas é crítica. Defeitos como furos, rachaduras e limites de grãos de cristal único são suscetíveis à infiltração de gases corrosivos, levando à falha do revestimento.

Resistência à oxidação:TaCcomeça a oxidar em temperaturas acima de 500°C, formando Ta2O5. A taxa de oxidação aumenta com a temperatura e a concentração de oxigênio, começando nos limites dos grãos e nos grãos pequenos, levando à degradação significativa do revestimento e eventual fragmentação.

Uniformidade e Rugosidade: A distribuição inconsistente do revestimento pode causar estresse térmico localizado, aumentando o risco de rachaduras e fragmentação. A rugosidade da superfície afeta as interações com o ambiente externo, com maior rugosidade levando ao aumento do atrito e campos térmicos irregulares.

Tamanho de grão:O tamanho uniforme dos grãos aumenta a estabilidade do revestimento, enquanto os grãos menores são propensos à oxidação e à corrosão, levando ao aumento da porosidade e à redução da proteção. Grãos maiores podem causar fragmentação induzida por estresse térmico.

3. Conclusão e perspectivas

Os componentes de grafite revestidos com TaC têm uma demanda de mercado significativa e amplas perspectivas de aplicação. A produção principal deRevestimentos TaCatualmente depende de componentes CVD TaC, mas o alto custo e a limitada eficiência de deposição dos equipamentos CVD ainda não substituíram os tradicionais materiais de grafite revestidos com SiC. Os métodos de sinterização podem efetivamente reduzir os custos de matéria-prima e acomodar formas complexas de grafite, atendendo a diversas necessidades de aplicação. Empresas como AFTech, CGT Carbon GmbH e Toyo Tanso amadureceramRevestimento TaCprocessos e dominar o mercado.

Na China, o desenvolvimentoComponentes de grafite revestidos com TaCainda está em seus estágios experimentais e iniciais de industrialização. Para avançar a indústria, otimizando os métodos de preparação atuais, explorando novos processos de revestimento TaC de alta qualidade e compreendendoRevestimento TaCmecanismos de proteção e modos de falha são essenciais. ExpandindoAplicações de revestimento TaCrequer inovação contínua por parte de instituições de pesquisa e empresas. À medida que o mercado nacional de semicondutores de terceira geração cresce, a procura por revestimentos de alto desempenho aumentará, tornando as alternativas nacionais a tendência futura da indústria.**