TaC dengtų grafito dalių taikymas monokristalinėse krosnyse

TaikymasTaC dengtos grafito dalysVienkristalinėse krosnyse

1 DALIS

Auginant SiC ir AlN pavienius kristalus, naudojant fizinio garų pernešimo (PVT) metodą, esminiai komponentai, tokie kaip tiglis, sėklų laikiklis ir kreipiamasis žiedas, atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį. Kaip pavaizduota 2 paveiksle [1], PVT proceso metu sėklinis kristalas yra žemesnės temperatūros srityje, o SiC žaliava yra veikiama aukštesnės temperatūros (virš 2400 ℃). Dėl to žaliava suyra ir susidaro SiXCy junginiai (daugiausia įskaitant Si, SiC₂, Si2C ir kt.). Tada garų fazės medžiaga transportuojama iš aukštos temperatūros srities į sėklinį kristalą žemos temperatūros regione, todėl susidaro sėklų branduoliai, auga kristalai ir susidaro pavieniai kristalai. Todėl šiame procese naudojamos šiluminio lauko medžiagos, tokios kaip tiglis, srauto kreiptuvo žiedas ir sėklų kristalų laikiklis, turi būti atsparios aukštai temperatūrai, neužteršdamos SiC žaliavų ir pavienių kristalų. Panašiai AlN kristalų auginimui naudojami kaitinimo elementai turi atlaikyti Al garų ir N2 koroziją, taip pat turėti aukštą eutektinę temperatūrą (su AlN), kad sutrumpėtų kristalų paruošimo laikas.

Pastebėta, kad naudojant TaC dengtas grafito šiluminio lauko medžiagas SiC [2-5] ir AlN [2-3] gamybai, gaunami švaresni produktai su minimaliu anglies (deguonies, azoto) ir kitų priemaišų kiekiu. Šios medžiagos turi mažiau briaunų defektų ir mažesnę varžą kiekviename regione. Be to, žymiai sumažėja mikroporų ir ėsdinimo duobių tankis (po KOH ėsdinimo), todėl kristalų kokybė labai pagerėjo. Be to, TaC tiglis beveik nepraranda svorio, išlaiko neardomąją išvaizdą ir gali būti perdirbamas (iki 200 valandų), taip padidinant monokristalų paruošimo procesų tvarumą ir efektyvumą.

Fig. 2. (a) SiC monokristalinio luito auginimo įrenginio PVT metodu schema

b) Viršutinis TaC padengtas sėklų laikiklis (įskaitant SiC sėklas)

c) TAC padengtas grafito kreipiamasis žiedas

MOCVD GaN epitaksinio sluoksnio augimo šildytuvas

DALIS/2

MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) GaN augimo srityje, kuri yra labai svarbi plonų plėvelių garų epitaksinio augimo per organometalinio skilimo reakcijas technika, šildytuvas atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį siekiant tikslios temperatūros kontrolės ir vienodumo reakcijos kameroje. Kaip parodyta 3 paveiksle (a), šildytuvas laikomas pagrindiniu MOCVD įrangos komponentu. Jo gebėjimas greitai ir tolygiai šildyti pagrindą ilgą laiką (įskaitant pasikartojančius aušinimo ciklus), atlaikyti aukštą temperatūrą (atsparus dujų korozijai) ir išlaikyti plėvelės grynumą tiesiogiai veikia plėvelės nusodinimo kokybę, storio konsistenciją ir drožlių veikimą.

Siekiant pagerinti šildytuvų veikimą ir perdirbimo efektyvumą MOCVD GaN augimo sistemose, sėkmingai pristatyti TaC dengti grafito šildytuvai. Skirtingai nuo įprastų šildytuvų, kuriuose naudojamos pBN (pirolitinės boro nitrido) dangos, GaN epitaksiniai sluoksniai, auginami naudojant TaC šildytuvus, turi beveik identiškas kristalų struktūras, storio vienodumą, būdingų defektų susidarymą, priemaišų dopingą ir užterštumo lygius. Be to, TaC danga pasižymi maža varža ir maža paviršiaus spinduliuote, todėl šildytuvas yra efektyvesnis ir vienodesnis, todėl sumažėja energijos sąnaudos ir šilumos nuostoliai. Reguliuojant proceso parametrus, dangos poringumą galima reguliuoti taip, kad dar labiau pagerėtų šildytuvo spinduliavimo charakteristikos ir pailgėtų jo tarnavimo laikas [5]. Dėl šių privalumų TaC dengti grafito šildytuvai yra puikus pasirinkimas MOCVD GaN augimo sistemoms.

Fig. 3. (a) GaN epitaksinio augimo MOCVD įrenginio schema

b) Formuotas TAC padengtas grafito šildytuvas, sumontuotas MOCVD sąrankoje, išskyrus pagrindą ir laikiklį (iliustracija, kurioje pavaizduotas šildymo pagrindas ir kronšteinas)

c) TAC padengtas grafito šildytuvas po 17 GaN epitaksinio augimo. 

Dengtas epitaksijos susceptorius (vaflių nešiklis)

DALIS/3

Plokščių laikiklis, esminis struktūrinis komponentas, naudojamas ruošiant trečios klasės puslaidininkines plokšteles, tokias kaip SiC, AlN ir GaN, vaidina gyvybiškai svarbų vaidmenį epitaksinių plokštelių augimo procesuose. Paprastai pagamintas iš grafito, plokštelių laikiklis yra padengtas SiC, kad būtų atsparus korozijai nuo proceso dujų, kai epitaksinė temperatūra yra nuo 1100 iki 1600 °C. Apsauginės dangos atsparumas korozijai reikšmingai įtakoja plokštelių laikiklio tarnavimo laiką. Eksperimentiniai rezultatai parodė, kad TaC korozijos greitis yra maždaug 6 kartus lėtesnis nei SiC, kai yra veikiamas aukštos temperatūros amoniako. Aukštos temperatūros vandenilio aplinkoje TaC korozijos greitis yra net daugiau nei 10 kartų lėtesnis nei SiC.

Eksperimentiniai įrodymai parodė, kad padėklai, padengti TaC, puikiai suderinami mėlynos šviesos GaN MOCVD procese, neįtraukiant priemaišų. Naudojant ribotus proceso koregavimus, šviesos diodai, auginami naudojant TaC laikiklius, demonstruoja panašų našumą ir vienodumą, kaip ir tie, kurie auginami naudojant įprastus SiC nešiklius. Vadinasi, TaC dengtų plokštelių laikiklių tarnavimo laikas pranoksta nepadengtų ir SiC dengtų grafito laikiklių tarnavimo laiką.

Paveikslas. Vaflių padėklas po naudojimo GaN epitaksiniu būdu auginamame MOCVD įrenginyje (Veeco P75). Kairėje esantis yra padengtas TaC, o dešinėje - SiC.

Bendras paruošimo būdasTaC dengtos grafito dalys

1 DALIS

CVD (cheminio nusodinimo garais) metodas:

Esant 900-2300 ℃ temperatūrai, naudojant TaCl5 ir CnHm kaip tantalo ir anglies šaltinius, H2 kaip redukuojančią atmosferą, Ar₂as nešančias dujas, reakcijos nusodinimo plėvelę. Paruošta danga yra kompaktiška, vienoda ir didelio grynumo. Tačiau yra keletas problemų, tokių kaip sudėtingas procesas, brangios išlaidos, sudėtingas oro srauto valdymas ir mažas nusodinimo efektyvumas.

DALIS/2

Srutų sukepinimo būdas:

Suspensija, kurioje yra anglies šaltinio, tantalo šaltinio, dispergento ir rišiklio, padengiama grafitu ir po džiovinimo sukepinama aukštoje temperatūroje. Paruošta danga auga be įprastos orientacijos, yra pigi ir tinka stambiai gamybai. Dar reikia ištirti, kaip pasiekti vienodą ir pilną didelio grafito dangą, pašalinti atramos defektus ir padidinti dangos sukibimo jėgą.

DALIS/3

Plazminio purškimo būdas:

TaC milteliai išlydomi plazmos lanku aukštoje temperatūroje, didelio greičio srove purškiami į aukštos temperatūros lašelius ir purškiami ant grafito medžiagos paviršiaus. Lengva formuoti oksido sluoksnį ne vakuume, o energijos sąnaudos yra didelės.

Reikia išspręsti TaC dengtas grafito dalis

1 DALIS

Surišimo jėga:

Šiluminio plėtimosi koeficientas ir kitos fizinės savybės tarp TaC ir anglies medžiagų skiriasi, dangos sukibimo stipris yra mažas, sunku išvengti įtrūkimų, porų ir šiluminio įtempio, o dangą lengva nulupti tikroje atmosferoje, kurioje yra puvimo ir pakartotinis kilimo ir aušinimo procesas.

DALIS/2

Grynumas:

TaC danga turi būti itin gryna, kad būtų išvengta priemaišų ir taršos esant aukštai temperatūrai, taip pat reikia susitarti dėl veiksmingų laisvosios anglies ir vidinių priemaišų kiekio ir apibūdinimo standartų visos dangos paviršiuje ir viduje.

DALIS/3

Stabilumas:

Atsparumas aukštai temperatūrai ir atsparumas cheminei atmosferai virš 2300 ℃ yra svarbiausi rodikliai norint patikrinti dangos stabilumą. Dėl skylučių, įtrūkimų, trūkstamų kampų ir vienos orientacijos grūdelių ribos korozinės dujos lengvai prasiskverbia ir prasiskverbia į grafitą, todėl dangos apsauga sugenda.

DALIS/4

Atsparumas oksidacijai:

Kai temperatūra viršija 500 ℃, TaC pradeda oksiduotis iki Ta2O5, o oksidacijos greitis smarkiai didėja didėjant temperatūrai ir deguonies koncentracijai. Paviršiaus oksidacija prasideda nuo grūdelių ribų ir smulkių grūdelių, palaipsniui formuojasi stulpiniai kristalai ir lūžę kristalai, todėl susidaro daug tarpų ir skylių, o deguonies įsiskverbimas sustiprėja, kol danga nusivalo. Susidaręs oksido sluoksnis turi prastą šilumos laidumą ir yra įvairių spalvų.

DALIS/5

Vienodumas ir šiurkštumas:

Netolygus dangos paviršiaus pasiskirstymas gali sukelti vietinę šiluminio įtempio koncentraciją, padidindama įtrūkimų ir skilimo riziką. Be to, paviršiaus šiurkštumas tiesiogiai veikia dangos ir išorinės aplinkos sąveiką, o per didelis šiurkštumas nesunkiai sukelia padidėjusią trintį su plokštele ir netolygią šiluminį lauką.

DALIS/6

Grūdelių dydis:

Vienodas grūdelių dydis užtikrina dangos stabilumą. Jei grūdelių dydis yra mažas, sukibimas nėra sandarus, jį lengva oksiduoti ir korozuoti, todėl grūdelių krašte susidaro daug įtrūkimų ir skylių, o tai sumažina apsaugines dangos savybes. Jei grūdelių dydis yra per didelis, jis yra gana grubus, o dangą lengva nulupti veikiant šiluminiam poveikiui.

Išvada ir perspektyva

Apskritai,TaC dengtos grafito dalysrinkoje turi didžiulę paklausą ir plačias pritaikymo perspektyvas, dabartinėTaC dengtos grafito dalysPagrindinė gamybos kryptis yra pasikliauti CVD TaC komponentais. Tačiau dėl didelių CVD TaC gamybos įrangos sąnaudų ir riboto nusodinimo efektyvumo tradicinės SiC dengtos grafito medžiagos nebuvo visiškai pakeistos. Sukepinimo metodas gali veiksmingai sumažinti žaliavų kainą ir prisitaikyti prie sudėtingų grafito dalių formų, kad atitiktų daugiau skirtingų taikymo scenarijų.