Những thách thức về ứng dụng và phát triển của các thành phần than chì phủ TaC

Trong bối cảnh phát triển tấm wafer Silicon Carbide (SiC), vật liệu than chì truyền thống và vật liệu tổng hợp cacbon-cacbon được sử dụng trong lĩnh vực nhiệt phải đối mặt với những thách thức đáng kể trong việc chịu được bầu không khí phức tạp ở 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Những vật liệu này không chỉ có tuổi thọ ngắn, cần phải thay thế các bộ phận khác nhau sau một đến mười chu kỳ nung mà còn trải qua quá trình thăng hoa và bay hơi ở nhiệt độ cao. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các tạp chất cacbon và các khuyết tật tinh thể khác. Để đảm bảo chất lượng cao và sự phát triển ổn định của tinh thể bán dẫn trong khi xem xét chi phí sản xuất công nghiệp, điều cần thiết là phải chuẩn bị lớp phủ gốm chống ăn mòn và nhiệt độ cực cao trên các thành phần than chì. Những lớp phủ này giúp kéo dài tuổi thọ của các bộ phận than chì, ức chế sự di chuyển tạp chất và tăng cường độ tinh khiết của tinh thể. Trong quá trình tăng trưởng epiticular SiC, các đế than chì được phủ SiC thường được sử dụng để hỗ trợ và làm nóng các chất nền đơn tinh thể. Tuy nhiên, tuổi thọ của các đế này vẫn cần được cải thiện và chúng cần được vệ sinh định kỳ để loại bỏ cặn SiC khỏi bề mặt tiếp xúc. Để so sánh, TantaliLớp phủ cacbua (TaC)mang lại khả năng chống chịu tốt hơn với môi trường ăn mòn và nhiệt độ cao, khiến chúng trở thành công nghệ quan trọng để đạt được sự phát triển tinh thể SiC tối ưu.

Với nhiệt độ nóng chảy là 3880°C,TaCthể hiện độ bền cơ học, độ cứng và khả năng chống sốc nhiệt cao. Nó duy trì độ trơ hóa học tuyệt vời và độ ổn định nhiệt trong điều kiện nhiệt độ cao liên quan đến hơi chứa amoniac, hydro và silicon. Vật liệu than chì (composite cacbon-cacbon) được phủ bằngTaCrất hứa hẹn là sự thay thế cho các thành phần than chì có độ tinh khiết cao, được phủ pBN và phủ SiC truyền thống. Ngoài ra, trong lĩnh vực hàng không vũ trụ,TaCcó tiềm năng đáng kể để sử dụng làm lớp phủ chống oxy hóa và chống mài mòn ở nhiệt độ cao, mang lại triển vọng ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, để đạt được độ đặc, đồng đều và không bong tróclớp phủ TaCtrên bề mặt than chì và thúc đẩy sản xuất ở quy mô công nghiệp đặt ra một số thách thức. Hiểu được cơ chế bảo vệ của lớp phủ, đổi mới quy trình sản xuất và cạnh tranh với các tiêu chuẩn quốc tế hàng đầu là rất quan trọng cho sự tăng trưởng và phát triển epiticular của chất bán dẫn thế hệ thứ ba.

Tóm lại, việc phát triển và ứng dụng các thành phần than chì được phủ TaC là rất quan trọng để thúc đẩy công nghệ phát triển tấm bán dẫn SiC. Giải quyết các thách thức tronglớp phủ TaCchuẩn bị và công nghiệp hóa sẽ là chìa khóa để đảm bảo sự phát triển của tinh thể bán dẫn chất lượng cao và mở rộng việc sử dụnglớp phủ TaCtrong các ứng dụng nhiệt độ cao khác nhau.

1. Ứng dụng linh kiện than chì phủ TaC

(1) Nồi nấu kim loại, giá đỡ tinh thể hạt và ống dòng chảy trongTăng trưởng PVT của tinh thể đơn SiC và AlN

Trong phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT) để chuẩn bị SiC, tinh thể mầm được đặt ở vùng nhiệt độ tương đối thấp trong khi nguyên liệu thô SiC ở vùng nhiệt độ cao (trên 2400°C). Nguyên liệu thô phân hủy để tạo ra các loại khí (SiXCy), được vận chuyển từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp, nơi đặt tinh thể hạt. Quá trình này, bao gồm quá trình tạo mầm và phát triển để tạo thành các tinh thể đơn lẻ, đòi hỏi các vật liệu trường nhiệt như nồi nấu kim loại, vòng chảy và giá đỡ tinh thể hạt có khả năng chịu được nhiệt độ cao và không làm nhiễm bẩn nguyên liệu thô và tinh thể SiC. Các yêu cầu tương tự tồn tại đối với sự phát triển đơn tinh thể AlN, trong đó các phần tử gia nhiệt phải chống lại sự ăn mòn của hơi Al và N2 và có nhiệt độ eutectic cao để rút ngắn chu trình chuẩn bị tinh thể.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sử dụngVật liệu than chì phủ TaCtrong trường nhiệt để điều chế SiC và AlN tạo ra các tinh thể sạch hơn với ít tạp chất cacbon, oxy và nitơ hơn. Các khuyết tật ở cạnh được giảm thiểu và điện trở suất trên các vùng khác nhau giảm đáng kể, cùng với mật độ lỗ micropore và lỗ ăn mòn, giúp nâng cao đáng kể chất lượng tinh thể. Hơn nữa,TaCnồi nấu kim loại cho thấy sự giảm trọng lượng không đáng kể và không bị hư hại, cho phép tái sử dụng (với tuổi thọ lên tới 200 giờ), nâng cao tính bền vững và hiệu quả của việc điều chế đơn tinh thể.

(2 ) Bộ gia nhiệt trong tăng trưởng lớp epitaxy MOCVD GaN

Sự tăng trưởng MOCVD GaN liên quan đến việc sử dụng công nghệ lắng đọng hơi hóa học để phát triển màng mỏng theo phương pháp epitaxy. Độ chính xác và tính đồng nhất của nhiệt độ buồng làm cho bộ gia nhiệt trở thành một bộ phận quan trọng. Nó phải làm nóng bề mặt một cách nhất quán và đồng đều trong thời gian dài và duy trì sự ổn định ở nhiệt độ cao trong môi trường khí ăn mòn.

Để cải thiện hiệu suất và khả năng tái chế của bộ gia nhiệt hệ thống MOCVD GaN,Than chì phủ TaCmáy sưởi đã được giới thiệu thành công. So với các máy sưởi truyền thống có lớp phủ pBN, máy sưởi TaC cho thấy hiệu suất tương đương về cấu trúc tinh thể, độ đồng đều về độ dày, các khuyết tật nội tại, doping tạp chất và mức độ ô nhiễm. Điện trở suất và độ phát xạ bề mặt thấplớp phủ TaCnâng cao hiệu quả và tính đồng nhất của lò sưởi, giảm tiêu thụ năng lượng và tản nhiệt. Độ xốp có thể điều chỉnh của lớp phủ giúp cải thiện hơn nữa các đặc tính bức xạ của lò sưởi và kéo dài tuổi thọ của nó, khiếnThan chì phủ TaCmáy sưởi là sự lựa chọn ưu việt cho các hệ thống tăng trưởng MOCVD GaN.

Hình 2. (a) Sơ đồ của bộ máy MOCVD cho sự tăng trưởng epiticular GaN

(b) Lò sưởi than chì được phủ TaC định hình được lắp đặt trong thiết lập MOCVD, ngoại trừ đế và các giá đỡ (hình nhỏ hiển thị đế và các giá đỡ trong quá trình gia nhiệt)

(c)Bộ gia nhiệt than chì được phủ TaC sau 17 chu kỳ tăng trưởng epiticular GaN

(3)Khay phủ Epitaxy (Vận chuyển wafer)

Chất mang wafer là thành phần cấu trúc quan trọng trong quá trình chuẩn bị và tăng trưởng epiticular của các tấm bán dẫn thế hệ thứ ba như SiC, AlN và GaN. Hầu hết các chất mang bán dẫn đều được làm bằng than chì và phủ SiC để chống ăn mòn từ khí xử lý, hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 1100 đến 1600°C. Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ bảo vệ rất quan trọng đối với tuổi thọ của tàu sân bay.

Nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ ăn mòn của TaC chậm hơn đáng kể so với SiC trong môi trường amoniac và hydro ở nhiệt độ cao, khiếnphủ TaCcác khay tương thích hơn với quy trình GaN MOCVD màu xanh lam và ngăn ngừa tạp chất xâm nhập. Hiệu suất LED tăng trưởng bằng cách sử dụngHãng vận chuyển TaCcó thể so sánh với các chất mang SiC truyền thống, vớiphủ TaCkhay thể hiện tuổi thọ vượt trội.

Hình 3. Khay wafer được sử dụng trong thiết bị MOCVD (Veeco P75) để tăng trưởng epiticular GaN. Khay bên trái được phủ TaC, trong khi khay bên phải được phủ SiC

2. Những thách thức trong các thành phần than chì phủ TaC

Độ bám dính:Sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữaTaCvà vật liệu carbon dẫn đến độ bền bám dính của lớp phủ thấp, khiến nó dễ bị nứt, xốp và ứng suất nhiệt, có thể dẫn đến bong tróc lớp phủ trong môi trường ăn mòn và chu kỳ nhiệt độ lặp đi lặp lại.

độ tinh khiết: lớp phủ TaCphải duy trì độ tinh khiết cực cao để tránh đưa tạp chất vào ở nhiệt độ cao. Cần phải thiết lập các tiêu chuẩn để đánh giá cacbon tự do và tạp chất bên trong lớp phủ.

Sự ổn định:Khả năng chịu nhiệt độ cao trên 2300°C và môi trường hóa học là rất quan trọng. Các khuyết tật như lỗ kim, vết nứt và ranh giới hạt đơn tinh thể dễ bị xâm nhập khí ăn mòn, dẫn đến hỏng lớp phủ.

Chống oxy hóa:TaCbắt đầu oxy hóa ở nhiệt độ trên 500°C, tạo thành Ta2O5. Tốc độ oxy hóa tăng theo nhiệt độ và nồng độ oxy, bắt đầu từ ranh giới hạt và hạt nhỏ, dẫn đến sự xuống cấp đáng kể của lớp phủ và cuối cùng là sự nứt vỡ.

Tính đồng nhất và độ nhám: Sự phân bố lớp phủ không đồng nhất có thể gây ra ứng suất nhiệt cục bộ, làm tăng nguy cơ nứt và vỡ. Độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến tương tác với môi trường bên ngoài, độ nhám cao hơn dẫn đến tăng ma sát và trường nhiệt không đều.

Kích thước hạt:Kích thước hạt đồng đều giúp tăng cường độ ổn định của lớp phủ, trong khi các hạt nhỏ hơn dễ bị oxy hóa và ăn mòn, dẫn đến tăng độ xốp và giảm khả năng bảo vệ. Các hạt lớn hơn có thể gây ra hiện tượng nứt vỡ do ứng suất nhiệt.

3. Kết luận và triển vọng

Các thành phần than chì được phủ TaC có nhu cầu thị trường đáng kể và triển vọng ứng dụng rộng rãi. Sản xuất chủ đạo củalớp phủ TaChiện dựa vào các thành phần CVD TaC, nhưng chi phí cao và hiệu quả lắng đọng hạn chế của thiết bị CVD vẫn chưa thay thế được vật liệu than chì phủ SiC truyền thống. Phương pháp thiêu kết có thể giảm chi phí nguyên liệu thô một cách hiệu quả và phù hợp với các hình dạng than chì phức tạp, đáp ứng nhu cầu ứng dụng đa dạng. Các công ty như AFTech, CGT Carbon GmbH và Toyo Tanso đã trưởng thànhlớp phủ TaCtiến hành và chiếm lĩnh thị trường.

Ở Trung Quốc, sự phát triển củaCác thành phần than chì được phủ TaCvẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và công nghiệp hóa ban đầu. Để thúc đẩy ngành công nghiệp, tối ưu hóa các phương pháp chuẩn bị hiện tại, khám phá các quy trình phủ TaC chất lượng cao mới và hiểu biếtlớp phủ TaCcơ chế bảo vệ và các chế độ lỗi là rất cần thiết. Mở rộngỨng dụng lớp phủ TaCđòi hỏi sự đổi mới liên tục từ các tổ chức nghiên cứu và các công ty. Khi thị trường chất bán dẫn thế hệ thứ ba trong nước phát triển, nhu cầu về lớp phủ hiệu suất cao sẽ tăng lên, khiến các sản phẩm thay thế trong nước trở thành xu hướng ngành trong tương lai.**