Desafíos de aplicación y desarrollo de componentes de grafito recubiertos de TaC

En el contexto del crecimiento de las obleas de carburo de silicio (SiC), los materiales tradicionales de grafito y los compuestos de carbono-carbono utilizados en el campo térmico enfrentan desafíos importantes para resistir la atmósfera compleja a 2300 °C (Si, SiC₂, Si₂C). Estos materiales no sólo tienen una vida útil corta, ya que requieren la sustitución de diferentes piezas después de uno a diez ciclos del horno, sino que también experimentan sublimación y volatilización a altas temperaturas. Esto puede provocar la formación de inclusiones de carbono y otros defectos cristalinos. Para garantizar la alta calidad y el crecimiento estable de los cristales semiconductores teniendo en cuenta los costos de producción industrial, es esencial preparar recubrimientos cerámicos resistentes a temperaturas ultraaltas y a la corrosión en componentes de grafito. Estos recubrimientos extienden la vida útil de las piezas de grafito, inhiben la migración de impurezas y mejoran la pureza del cristal. Durante el crecimiento epitaxial de SiC, las bases de grafito recubiertas de SiC se suelen utilizar para soportar y calentar sustratos monocristalinos. Sin embargo, la vida útil de estas bases aún necesita mejoras y requieren una limpieza periódica para eliminar los depósitos de SiC de las interfaces. En comparación, el tantalioRecubrimientos de carburo (TaC)Ofrecen una resistencia superior a atmósferas corrosivas y altas temperaturas, lo que los convierte en una tecnología crucial para lograr un crecimiento óptimo de los cristales de SiC.

Con un punto de fusión de 3880°C,TaCPresenta alta resistencia mecánica, dureza y resistencia al choque térmico. Mantiene una excelente inercia química y estabilidad térmica en condiciones de alta temperatura que involucran amoníaco, hidrógeno y vapores que contienen silicio. Materiales de grafito (compuesto de carbono-carbono) recubiertos conTaCson muy prometedores como sustitutos de los componentes tradicionales de grafito de alta pureza, recubiertos de pBN y recubiertos de SiC. Además, en el ámbito aeroespacial,TaCtiene un potencial significativo para su uso como recubrimiento resistente a la oxidación y a la ablación a altas temperaturas, lo que ofrece amplias perspectivas de aplicación. Sin embargo, lograr una textura densa, uniforme y que no se pelerevestimiento de TaCsobre superficies de grafito y promover su producción a escala industrial presentan varios desafíos. Comprender los mecanismos protectores del recubrimiento, innovar en los procesos de producción y competir con los más altos estándares internacionales son cruciales para el crecimiento y desarrollo epitaxial de los semiconductores de tercera generación.

En conclusión, el desarrollo y la aplicación de componentes de grafito recubiertos con TaC son fundamentales para avanzar en la tecnología de crecimiento de obleas de SiC. Afrontar los desafíos enrevestimiento de TaCLa preparación y la industrialización serán clave para garantizar el crecimiento de cristales semiconductores de alta calidad y ampliar el uso deRecubrimientos de TaCen diversas aplicaciones de alta temperatura.

1. Aplicación de componentes de grafito recubiertos de TaC

(1) El crisol, el soporte del cristal semilla y el tubo de flujo enCrecimiento PVT de monocristales de SiC y AlN

Durante el método de transporte físico de vapor (PVT) para la preparación de SiC, el cristal semilla se coloca en una zona de temperatura relativamente baja, mientras que la materia prima de SiC se encuentra en una zona de alta temperatura (por encima de 2400 °C). La materia prima se descompone para producir especies gaseosas (SiXCy), que se transportan desde la zona de alta temperatura a la zona de baja temperatura donde se encuentra el cristal semilla. Este proceso, que incluye la nucleación y el crecimiento para formar cristales individuales, requiere materiales de campo térmico como crisoles, anillos de flujo y soportes de cristales semilla que sean resistentes a altas temperaturas y no contaminen la materia prima y los cristales de SiC. Existen requisitos similares para el crecimiento de monocristales de AlN, donde los elementos calefactores deben resistir la corrosión por vapor de Al y N2 y tener una temperatura eutéctica alta para acortar el ciclo de preparación de cristales.

Los estudios han demostrado que el usoMateriales de grafito recubiertos de TaCen el campo térmico para la preparación de SiC y AlN se obtienen cristales más limpios con menos impurezas de carbono, oxígeno y nitrógeno. Los defectos de los bordes se minimizan y la resistividad en las diferentes regiones se reduce significativamente, junto con las densidades de los microporos y las picaduras de grabado, lo que mejora enormemente la calidad del cristal. Además, elTaCEl crisol muestra una pérdida de peso insignificante y ningún daño, lo que permite su reutilización (con una vida útil de hasta 200 horas), mejorando la sostenibilidad y eficiencia de la preparación de monocristal.

(2) El calentador en el crecimiento de la capa epitaxial MOCVD GaN

El crecimiento de MOCVD GaN implica el uso de tecnología de deposición química de vapor para hacer crecer películas delgadas epitaxialmente. La precisión y uniformidad de la temperatura de la cámara hacen del calentador un componente crucial. Debe calentar constante y uniformemente el sustrato durante largos períodos y mantener la estabilidad a altas temperaturas bajo gases corrosivos.

Para mejorar el rendimiento y la reciclabilidad del calentador del sistema MOCVD GaN,Grafito recubierto de TaCLos calentadores se han introducido con éxito. En comparación con los calentadores tradicionales con recubrimientos de pBN, los calentadores TaC muestran un rendimiento comparable en estructura cristalina, uniformidad de espesor, defectos intrínsecos, dopaje de impurezas y niveles de contaminación. La baja resistividad y emisividad superficial delrevestimiento de TaCmejorar la eficiencia y uniformidad del calentador, reduciendo el consumo de energía y la disipación de calor. La porosidad ajustable del recubrimiento mejora aún más las características de radiación del calentador y extiende su vida útil, lo que hace queGrafito recubierto de TaCLos calentadores son una opción superior para los sistemas de crecimiento MOCVD GaN.

Figura 2. (a) Diagrama esquemático del aparato MOCVD para el crecimiento epitaxial de GaN

(b) Calentador de grafito recubierto de TaC formado instalado en la configuración MOCVD, excluyendo la base y los soportes (el recuadro muestra la base y los soportes durante el calentamiento)

(C)Calentador de grafito recubierto de TaC después de 17 ciclos de crecimiento epitaxial de GaN

(3)Bandejas de recubrimiento epitaxial (portadores de obleas)

Los portadores de obleas son componentes estructurales críticos en la preparación y el crecimiento epitaxial de obleas semiconductoras de tercera generación como SiC, AlN y GaN. La mayoría de los portadores de obleas están hechos de grafito y recubiertos con SiC para resistir la corrosión de los gases de proceso, y funcionan dentro de un rango de temperatura de 1100 a 1600 °C. La capacidad anticorrosión de la capa protectora es crucial para la vida útil del soporte.

Las investigaciones indican que la velocidad de corrosión del TaC es significativamente más lenta que la del SiC en ambientes de amoníaco e hidrógeno de alta temperatura, lo que hace querecubierto de TaCBandejas más compatibles con los procesos MOCVD de GaN azul y evitando la introducción de impurezas. El rendimiento del LED aumentó conPortadores de TaCes comparable a los portadores tradicionales de SiC, con elrecubierto de TaCbandejas que demuestran una vida útil superior.

Figura 3. Bandejas de obleas utilizadas en el equipo MOCVD (Veeco P75) para el crecimiento epitaxial de GaN. La bandeja de la izquierda está recubierta con TaC, mientras que la bandeja de la derecha está recubierta con SiC.

2. Desafíos en los componentes de grafito recubiertos con TaC

Adhesión:La diferencia del coeficiente de expansión térmica entreTaCy los materiales de carbono dan como resultado una baja resistencia de adhesión del recubrimiento, lo que lo hace propenso al agrietamiento, la porosidad y el estrés térmico, lo que puede provocar el desconchado del recubrimiento en atmósferas corrosivas y ciclos repetidos de temperatura.

Pureza: Recubrimientos de TaCDebe mantener una pureza ultra alta para evitar la introducción de impurezas a altas temperaturas. Es necesario establecer estándares para evaluar el carbono libre y las impurezas intrínsecas dentro del recubrimiento.

Estabilidad:La resistencia a altas temperaturas superiores a 2300°C y atmósferas químicas es fundamental. Defectos como poros, grietas y límites de granos monocristalinos son susceptibles a la infiltración de gases corrosivos, lo que provoca fallas en el recubrimiento.

Resistencia a la oxidación:TaCcomienza a oxidarse a temperaturas superiores a 500°C, formando Ta2O5. La velocidad de oxidación aumenta con la temperatura y la concentración de oxígeno, comenzando desde los límites de los granos y los granos pequeños, lo que lleva a una degradación significativa del recubrimiento y eventual espalación.

Uniformidad y rugosidad: la distribución inconsistente del recubrimiento puede causar tensión térmica localizada, lo que aumenta el riesgo de agrietamiento y desconchado. La rugosidad de la superficie afecta las interacciones con el entorno externo, y una mayor rugosidad conduce a una mayor fricción y campos térmicos desiguales.

Tamaño de grano:El tamaño de grano uniforme mejora la estabilidad del recubrimiento, mientras que los granos más pequeños son propensos a la oxidación y la corrosión, lo que aumenta la porosidad y reduce la protección. Los granos más grandes pueden causar espalación inducida por estrés térmico.

3. Conclusión y perspectivas

Los componentes de grafito recubiertos con TaC tienen una importante demanda de mercado y amplias perspectivas de aplicación. La producción principal deRecubrimientos de TaCActualmente se basa en componentes CVD TaC, pero el alto costo y la eficiencia de deposición limitada de los equipos CVD aún no han reemplazado los materiales tradicionales de grafito recubiertos de SiC. Los métodos de sinterización pueden reducir eficazmente los costos de materia prima y adaptarse a formas complejas de grafito, satisfaciendo diversas necesidades de aplicaciones. Empresas como AFTech, CGT Carbon GmbH y Toyo Tanso han maduradorevestimiento de TaCprocesos y dominar el mercado.

En China, el desarrollo deComponentes de grafito recubiertos de TaCtodavía se encuentra en sus etapas experimentales y tempranas de industrialización. Hacer avanzar la industria, optimizar los métodos de preparación actuales, explorar nuevos procesos de recubrimiento de TaC de alta calidad y comprenderrevestimiento de TaCLos mecanismos de protección y los modos de falla son esenciales. En expansiónAplicaciones de recubrimiento TaCrequiere innovación continua por parte de instituciones y empresas de investigación. A medida que crezca el mercado nacional de semiconductores de tercera generación, aumentará la demanda de recubrimientos de alto rendimiento, lo que convertirá las alternativas nacionales en la tendencia futura de la industria.**