Application of TaC-Coated Graphite Parts in Single Crystal Furnaces

Aplikasi sakaBagéan Grafit sing dilapisi TaCing Tungku Kristal Tunggal

BAGIAN/1

Ing pertumbuhan kristal tunggal SiC lan AlN nggunakake metode transportasi uap fisik (PVT), komponen penting kayata crucible, wadhah wiji, lan cincin panuntun nduweni peran penting. Kaya sing digambarake ing Gambar 2 [1], sajrone proses PVT, kristal wiji dipanggonke ing wilayah suhu sing luwih murah, dene bahan mentah SiC kena suhu sing luwih dhuwur (luwih saka 2400 ℃). Iki nyebabake dekomposisi bahan mentah, ngasilake senyawa SiXCy (utamane kalebu Si, SiC₂, Si₂C, lsp.). Bahan fase uap banjur diangkut saka wilayah suhu dhuwur menyang kristal wiji ing wilayah suhu rendah, nyebabake pembentukan inti wiji, pertumbuhan kristal, lan ngasilake kristal tunggal. Mulane, bahan lapangan termal sing digunakake ing proses iki, kayata crucible, ring guide aliran, lan wadhah kristal wiji, kudu ngetokne resistance suhu dhuwur tanpa contaminating bahan baku SiC lan kristal tunggal. Kajaba iku, unsur pemanasan sing digunakake ing pertumbuhan kristal AlN kudu tahan uap Al lan korosi N₂, uga duwe suhu eutektik sing dhuwur (karo AlN) kanggo nyuda wektu persiapan kristal.

Wis diamati manawa nggunakake bahan medan termal grafit sing dilapisi TaC kanggo nyiapake SiC [2-5] lan AlN [2-3] ngasilake produk sing luwih resik kanthi karbon minimal (oksigen, nitrogen), lan impurities liyane. Bahan kasebut nuduhake cacat pinggiran sing luwih sithik lan resistivitas sing luwih murah ing saben wilayah. Kajaba iku, Kapadhetan micropores lan pit etsa (sawise KOH etching) suda Ngartekno, anjog kanggo dandan substansial ing kualitas kristal. Salajengipun, crucible TaC nduduhake bobot mundhut meh nul, njaga tampilan sing ora ngrusak, lan bisa didaur ulang (kanthi umur nganti 200 jam), saéngga ningkatake kelestarian lan efisiensi proses persiapan kristal tunggal.

Gbr. 2. (a) Diagram skematis piranti tuwuh ingot kristal tunggal SiC kanthi metode PVT

(b) Kurung wiji sing dilapisi TaC ndhuwur (kalebu wiji SiC)

(c) ring guide grafit TAC-dilapisi

MOCVD GaN Epitaxial Layer Growth Heater

BAGIAN/2

Ing lapangan MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) wutah GaN, technique wigati kanggo uap epitaxial wutah saka film tipis liwat reaksi dekomposisi organometallic, mesin ingkang ndamel benter muter peran penting kanggo entuk kontrol suhu tepat lan uniformity ing kamar reaksi. Minangka gambaran ing Figure 3 (a), mesin ingkang ndamel benter dianggep komponèn inti saka peralatan MOCVD. Kemampuan kanggo cepet lan seragam panas substrat liwat wektu lengkap (kalebu siklus cooling bola-bali), tahan suhu dhuwur (nolak karat gas), lan njaga kemurnian film langsung mengaruhi kualitas deposisi film, konsistensi kekandelan, lan kinerja chip.

Kanggo nambah kinerja lan efisiensi daur ulang pemanas ing sistem pertumbuhan MOCVD GaN, introduksi pemanas grafit sing dilapisi TaC wis sukses. Kontras karo pemanas konvensional sing nggunakake lapisan pBN (pyrolytic boron nitride), lapisan epitaxial GaN sing ditanam nggunakake pemanas TaC nuduhake struktur kristal sing meh padha, keseragaman ketebalan, pembentukan cacat intrinsik, doping impurity, lan tingkat kontaminasi. Kajaba iku, lapisan TaC nuduhake resistivity kurang lan emissivity lumahing kurang, asil ing efficiency pemanas apik lan uniformity, mangkono ngurangi konsumsi daya lan mundhut panas. Kanthi ngontrol paramèter proses, porositas lapisan bisa diatur kanggo nambah karakteristik radiasi pemanas lan nambah umur [5]. Keuntungan kasebut nggawe pemanas grafit sing dilapisi TaC minangka pilihan sing apik kanggo sistem pertumbuhan MOCVD GaN.

Gbr. 3. (a) Diagram skematis piranti MOCVD kanggo wutah epitaxial GaN

(b) Pemanas grafit sing dilapisi TAC sing dipasang ing persiyapan MOCVD, ora kalebu basa lan krenjang (ilustrasi nuduhake basa lan krenjang ing pemanasan)

(c) Pemanas grafit sing dilapisi TAC sawise wutah epitaxial 17 GaN. 

Susceptor Dilapisi kanggo Epitaxy (Wafer Carrier)

BAGIAN/3

Pembawa wafer, komponen struktural penting sing digunakake kanggo nyiapake wafer semikonduktor kelas katelu kayata SiC, AlN, lan GaN, nduweni peran penting ing proses pertumbuhan wafer epitaxial. Biasane digawe saka grafit, pembawa wafer dilapisi SiC kanggo nolak karat saka proses gas ing kisaran suhu epitaxial 1100 nganti 1600 °C. Ketahanan karat saka lapisan protèktif mengaruhi umur operator wafer. Asil eksperimen nuduhake yen TaC nuduhake tingkat korosi kira-kira 6 kaping luwih alon tinimbang SiC nalika kapapar amonia suhu dhuwur. Ing lingkungan hidrogen suhu dhuwur, tingkat korosi TaC malah luwih saka 10 kaping luwih alon tinimbang SiC.

Bukti eksperimen nuduhake yen tray sing dilapisi karo TaC nuduhake kompatibilitas banget ing proses GaN MOCVD cahya biru tanpa ngenalake impurities. Kanthi pangaturan proses sing winates, LED sing ditanam nggunakake operator TaC nuduhake kinerja lan keseragaman sing padha karo sing ditanam nggunakake operator SiC konvensional. Akibate, umur layanan operator wafer sing dilapisi TaC ngluwihi operator grafit sing ora dilapisi lan dilapisi SiC.

Gambar. Wafer tray sawise digunakake ing GaN epitaxial thukul piranti MOCVD (Veeco P75). Ing sisih kiwa dilapisi TaC lan ing sisih tengen ditutupi SiC.

Cara persiapan umumTaC dilapisi bagean grafit

BAGIAN/1

Metode CVD (Chemical Vapor Deposition):

Ing 900-2300 ℃, nggunakake TaCl5 lan CnHm minangka tantalum lan sumber karbon, H₂ minangka reduktor atmosfer, Ar₂as pembawa gas, reaksi deposisi film. Lapisan sing disiapake yaiku kompak, seragam lan kemurnian dhuwur. Nanging, ana sawetara masalah kayata proses rumit, biaya sing larang, kontrol aliran udara sing angel lan efisiensi deposisi sing sithik.

BAGIAN/2

Metode sintering slurry:

Slurry sing ngemot sumber karbon, sumber tantalum, dispersant lan binder dilapisi ing grafit lan disinter ing suhu dhuwur sawise pangatusan. Lapisan sing disiapake tuwuh tanpa orientasi biasa, nduweni biaya sing murah lan cocok kanggo produksi skala gedhe. Iku tetep kanggo njelajah kanggo entuk lapisan seragam lan lengkap ing grafit gedhe, ngilangi cacat support lan nambah pasukan iketan lapisan.

BAGIAN/3

Metode penyemprotan plasma:

Wêdakakêna TaC dilebur nganggo busur plasma ing suhu dhuwur, diwutahake dadi tetesan suhu dhuwur kanthi jet kacepetan dhuwur, lan disemprotake ing permukaan materi grafit. Iku gampang kanggo mbentuk lapisan oksida ing non-vakum, lan konsumsi energi gedhe.

Bagian grafit sing dilapisi TaC kudu ditanggulangi

BAGIAN/1

Daya pengikat:

Koefisien ekspansi termal lan sifat fisik liyane antarane TaC lan bahan karbon beda-beda, kekuatan ikatan lapisan kurang, angel kanggo nyegah retakan, pori-pori lan stres termal, lan lapisan kasebut gampang dicopot ing atmosfer nyata sing ngemot rot lan proses rising lan cooling bola-bali.

BAGIAN/2

Kemurnian:

Lapisan TaC kudu kemurnian sing dhuwur banget kanggo ngindhari impurities lan polusi ing kahanan suhu sing dhuwur, lan standar isi efektif lan standar karakterisasi karbon gratis lan impurities intrinsik ing permukaan lan njero lapisan lengkap kudu disepakati.

BAGIAN/3

Stabilitas:

Resistance suhu dhuwur lan resistensi atmosfer kimia ing ndhuwur 2300 ℃ minangka indikator sing paling penting kanggo nguji stabilitas lapisan kasebut. Pinholes, retak, sudhut ilang, lan wates gandum siji orientasi gampang kanggo nimbulaké gas korosif kanggo nembus lan nembus menyang grafit, asil ing Gagal pangayoman lapisan.

BAGIAN/4

Resistensi oksidasi:

TaC wiwit ngoksidasi dadi Ta2O5 nalika ing ndhuwur 500 ℃, lan tingkat oksidasi mundhak banget kanthi nambah suhu lan konsentrasi oksigen. Oksidasi lumahing diwiwiti saka wates gandum lan biji-bijian cilik, lan mboko sithik mbentuk kristal kolom lan kristal sing rusak, nyebabake akeh kesenjangan lan bolongan, lan infiltrasi oksigen mundhak nganti lapisan kasebut diudani. Lapisan oksida sing diasilake nduweni konduktivitas termal sing kurang apik lan macem-macem warna katon.

BAGIAN/5

Keseragaman lan kasar:

Distribusi sing ora rata saka permukaan lapisan bisa nyebabake konsentrasi stres termal lokal, nambah risiko retak lan spalling. Kajaba iku, roughness lumahing langsung mengaruhi interaksi antarane lapisan lan lingkungan njaba, lan roughness dhuwur banget gampang ndadékaké kanggo tambah gesekan karo wafer lan lapangan termal ora rata.

BAGIAN/6

Ukuran gandum:

Ukuran gandum seragam mbantu stabilitas lapisan. Yen ukuran gandum cilik, ikatan ora nyenyet, lan gampang dioksidasi lan karat, nyebabake akeh retakan lan bolongan ing pinggir gandum, sing nyuda kinerja protèktif lapisan kasebut. Yen ukuran gandum gedhe banget, iku relatif atos, lan lapisan gampang flake mati ing kaku termal.

Kesimpulan lan prospek

Umumé,TaC dilapisi bagean grafiting pasar wis dikarepake ageng lan sawetara saka sudhut prospek aplikasi, saikiTaC dilapisi bagean grafitmainstream manufaktur gumantung ing komponen CVD TaC. Nanging, amarga biaya peralatan produksi CVD TaC sing dhuwur lan efisiensi deposisi sing winates, bahan grafit sing dilapisi SiC tradisional durung diganti. Cara sintering kanthi efektif bisa nyuda biaya bahan mentah, lan bisa adaptasi karo bentuk kompleks bagean grafit, supaya bisa nyukupi kabutuhan skenario aplikasi sing luwih beda.