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Défis d'application et de développement des composants en graphite revêtus de TaC

2024-05-23

Dans le contexte de la croissance des plaquettes de carbure de silicium (SiC), les matériaux graphites traditionnels et les composites carbone-carbone utilisés dans le domaine thermique sont confrontés à des défis importants pour résister à l'atmosphère complexe à 2 300 °C (Si, SiC₂, Si₂C). Ces matériaux ont non seulement une courte durée de vie, nécessitant le remplacement de différentes pièces après un à dix cycles de four, mais subissent également une sublimation et une volatilisation à haute température. Cela peut conduire à la formation d’inclusions de carbone et d’autres défauts cristallins. Pour garantir la haute qualité et la croissance stable des cristaux semi-conducteurs tout en tenant compte des coûts de production industrielle, il est essentiel de préparer des revêtements céramiques à ultra haute température et résistants à la corrosion sur les composants en graphite. Ces revêtements prolongent la durée de vie des pièces en graphite, inhibent la migration des impuretés et améliorent la pureté des cristaux. Au cours de la croissance épitaxiale du SiC, des bases en graphite recouvertes de SiC sont généralement utilisées pour supporter et chauffer des substrats monocristallins. Cependant, la durée de vie de ces bases doit encore être améliorée et elles nécessitent un nettoyage périodique pour éliminer les dépôts de SiC des interfaces. En comparaison, le tantaleRevêtements en carbure (TaC)offrent une résistance supérieure aux atmosphères corrosives et aux températures élevées, ce qui en fait une technologie cruciale pour obtenir une croissance optimale des cristaux de SiC.

Avec un point de fusion de 3880°C,TaCprésente une résistance mécanique, une dureté et une résistance aux chocs thermiques élevées. Il maintient une excellente inertie chimique et une excellente stabilité thermique dans des conditions de température élevée impliquant des vapeurs contenant de l'ammoniac, de l'hydrogène et du silicium. Matériaux en graphite (composite carbone-carbone) recouverts deTaCsont très prometteurs en remplacement des composants traditionnels en graphite de haute pureté, à revêtement pBN et SiC. De plus, dans le domaine aérospatial,TaCprésente un potentiel important d’utilisation en tant que revêtement résistant à l’oxydation et à l’ablation à haute température, offrant de larges perspectives d’application. Cependant, pour obtenir un produit dense, uniforme et qui ne s'écaille pasrevêtement TaCsur les surfaces en graphite et promouvoir sa production à l'échelle industrielle présentent plusieurs défis. Comprendre les mécanismes de protection du revêtement, innover dans les processus de production et rivaliser avec les meilleurs standards internationaux sont cruciaux pour la croissance et le développement épitaxial des semi-conducteurs de troisième génération.

En conclusion, le développement et l’application de composants en graphite revêtus de TaC sont essentiels pour faire progresser la technologie de croissance des plaquettes SiC. Relever les défis dansrevêtement TaCla préparation et l’industrialisation seront essentielles pour garantir une croissance de cristaux semi-conducteurs de haute qualité et étendre l’utilisation deRevêtements TaCdans diverses applications à haute température.



1. Application des composants en graphite revêtus de TaC


(1) Le creuset, le support de germes de cristal et le tube d'écoulement dansCroissance PVT de monocristaux de SiC et d'AlN



Au cours du procédé de transport physique de vapeur (PVT) pour la préparation du SiC, le germe cristallin est placé dans une zone à température relativement basse tandis que la matière première SiC se trouve dans une zone à haute température (au-dessus de 2 400 °C). La matière première se décompose pour produire des espèces gazeuses (SiXCy), qui sont transportées de la zone à haute température vers la zone à basse température où se trouve le cristal germe. Ce processus, qui comprend la nucléation et la croissance pour former des monocristaux, nécessite des matériaux de champ thermique tels que des creusets, des anneaux d'écoulement et des supports de germes de cristal qui résistent aux températures élevées et ne contaminent pas la matière première et les cristaux de SiC. Des exigences similaires existent pour la croissance monocristalline d’AlN, où les éléments chauffants doivent résister à la vapeur d’Al et à la corrosion du N2 et avoir une température eutectique élevée pour raccourcir le cycle de préparation des cristaux.

Des études ont montré que l'utilisationMatériaux en graphite revêtus de TaCdans le domaine thermique pour la préparation du SiC et de l'AlN, on obtient des cristaux plus propres avec moins d'impuretés de carbone, d'oxygène et d'azote. Les défauts de bord sont minimisés et la résistivité dans différentes régions est considérablement réduite, ainsi que les densités de micropores et de piqûres de gravure, améliorant considérablement la qualité des cristaux. Par ailleurs, leTaCle creuset présente une perte de poids négligeable et aucun dommage, ce qui permet une réutilisation (avec une durée de vie allant jusqu'à 200 heures), améliorant ainsi la durabilité et l'efficacité de la préparation des monocristaux.



(2) Le réchauffeur dans la croissance de la couche épitaxiale MOCVD GaN


La croissance MOCVD GaN implique l’utilisation de la technologie de dépôt chimique en phase vapeur pour faire croître des films minces par épitaxie. La précision et l’uniformité de la température de la chambre font du réchauffeur un élément crucial. Il doit chauffer le substrat de manière constante et uniforme sur de longues périodes et maintenir sa stabilité à des températures élevées sous des gaz corrosifs.

Pour améliorer les performances et la recyclabilité du système de chauffage MOCVD GaN,Graphite revêtu de TaCles appareils de chauffage ont été introduits avec succès. Comparés aux éléments chauffants traditionnels dotés de revêtements pBN, les éléments chauffants TaC présentent des performances comparables en termes de structure cristalline, d'uniformité de l'épaisseur, de défauts intrinsèques, de dopage d'impuretés et de niveaux de contamination. La faible résistivité et émissivité de surface durevêtement TaCaméliore l'efficacité et l'uniformité du chauffage, réduisant ainsi la consommation d'énergie et la dissipation thermique. La porosité réglable du revêtement améliore encore les caractéristiques de rayonnement du radiateur et prolonge sa durée de vie, ce qui rendGraphite revêtu de TaCLes radiateurs sont un choix supérieur pour les systèmes de croissance MOCVD GaN.

Figure 2. (a) Schéma de principe de l'appareil MOCVD pour la croissance épitaxiale de GaN

(b) Élément chauffant en graphite recouvert de TaC formé installé dans la configuration MOCVD, à l'exclusion de la base et des supports (l'encadré montre la base et les supports pendant le chauffage)

(c)Réchauffeur en graphite revêtu de TaC après 17 cycles de croissance épitaxiale de GaN



(3)Plateaux de revêtement épitaxial (supports de plaquettes)



Les supports de tranches sont des composants structurels essentiels dans la préparation et la croissance épitaxiale de tranches semi-conductrices de troisième génération telles que SiC, AlN et GaN. La plupart des supports de tranches sont fabriqués en graphite et recouverts de SiC pour résister à la corrosion causée par les gaz de traitement, fonctionnant dans une plage de températures de 1 100 à 1 600 °C. La capacité anticorrosion du revêtement protecteur est cruciale pour la durée de vie du support.

La recherche indique que le taux de corrosion du TaC est nettement plus lent que celui du SiC dans les environnements à haute température d'ammoniac et d'hydrogène, ce qui rendRevêtement TaCplateaux plus compatibles avec les processus Blue GaN MOCVD et empêchant l’introduction d’impuretés. Performances des LED accrues grâce àTransporteurs TaCest comparable aux supports SiC traditionnels, avec leRevêtement TaCplateaux démontrant une durée de vie supérieure.

Figure 3. Plateaux de plaquettes utilisés dans l'équipement MOCVD (Veeco P75) pour la croissance épitaxiale GaN. Le plateau de gauche est recouvert de TaC, tandis que le plateau de droite est recouvert de SiC.



2. Défis liés aux composants en graphite revêtus de TaC



Adhésion:La différence de coefficient de dilatation thermique entreTaCet les matériaux carbonés entraînent une faible force d'adhésion du revêtement, ce qui le rend sujet aux fissures, à la porosité et aux contraintes thermiques, ce qui peut conduire à l'écaillage du revêtement dans des atmosphères corrosives et à des cycles de température répétés.

Pureté: Revêtements TaCdoit maintenir une pureté ultra-élevée pour éviter d’introduire des impuretés à des températures élevées. Des normes pour évaluer le carbone libre et les impuretés intrinsèques du revêtement doivent être établies.

La stabilité:La résistance aux températures élevées supérieures à 2 300 °C et aux atmosphères chimiques est essentielle. Les défauts tels que les trous d'épingle, les fissures et les joints de grains monocristallins sont susceptibles d'être infiltrés par des gaz corrosifs, entraînant une défaillance du revêtement.

Résistance à l'oxydation :TaCcommence à s'oxyder à des températures supérieures à 500°C, formant du Ta2O5. Le taux d'oxydation augmente avec la température et la concentration en oxygène, à partir des joints de grains et des petits grains, conduisant à une dégradation importante du revêtement et éventuellement à une spallation.

Uniformité et rugosité : Une répartition incohérente du revêtement peut provoquer des contraintes thermiques localisées, augmentant le risque de fissuration et d'éclatement. La rugosité de la surface affecte les interactions avec l'environnement externe, une rugosité plus élevée entraînant une friction accrue et des champs thermiques inégaux.

Taille d'un grain:Une granulométrie uniforme améliore la stabilité du revêtement, tandis que les grains plus petits sont sujets à l'oxydation et à la corrosion, entraînant une porosité accrue et une protection réduite. Des grains plus gros peuvent provoquer une spallation induite par des contraintes thermiques.


3. Conclusion et perspectives



Les composants en graphite revêtus de TaC ont une demande importante sur le marché et de larges perspectives d'application. La production grand public deRevêtements TaCrepose actuellement sur des composants CVD TaC, mais le coût élevé et l'efficacité de dépôt limitée des équipements CVD n'ont pas encore remplacé les matériaux graphites traditionnels revêtus de SiC. Les méthodes de frittage peuvent réduire efficacement les coûts des matières premières et s’adapter à des formes de graphite complexes, répondant ainsi à divers besoins d’applications. Des entreprises comme AFTech, CGT Carbon GmbH et Toyo Tanso sont parvenues à maturitérevêtement TaCprocessus et dominer le marché.

En Chine, le développement deComposants en graphite revêtus de TaCen est encore à ses premiers stades expérimentaux et d’industrialisation. Faire progresser l'industrie, en optimisant les méthodes de préparation actuelles, en explorant de nouveaux processus de revêtement TaC de haute qualité et en comprenantrevêtement TaCles mécanismes de protection et les modes de défaillance sont essentiels. ExpansionApplications de revêtement TaCnécessite une innovation continue de la part des instituts de recherche et des entreprises. À mesure que le marché national des semi-conducteurs de troisième génération se développe, la demande de revêtements hautes performances va augmenter, faisant des alternatives nationales la future tendance du secteur.**






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