ความท้าทายในการใช้งานและการพัฒนาส่วนประกอบกราไฟท์เคลือบ TaC

ในบริบทของการเติบโตของเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) วัสดุกราไฟท์แบบดั้งเดิมและคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอนที่ใช้ในสนามความร้อนเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญในการทนต่อบรรยากาศที่ซับซ้อนที่อุณหภูมิ 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C) วัสดุเหล่านี้ไม่เพียงมีอายุการใช้งานสั้นเท่านั้น ซึ่งจำเป็นต้องเปลี่ยนชิ้นส่วนต่างๆ หลังจากรอบเตาเผาหนึ่งถึงสิบรอบ แต่ยังต้องเผชิญกับการระเหิดและการระเหยที่อุณหภูมิสูงอีกด้วย สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การก่อตัวของการรวมตัวของคาร์บอนและข้อบกพร่องของผลึกอื่นๆ เพื่อให้มั่นใจว่าคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์จะมีคุณภาพสูงและเติบโตอย่างมั่นคง ขณะเดียวกันก็คำนึงถึงต้นทุนการผลิตทางอุตสาหกรรม จำเป็นต้องเตรียมการเคลือบเซรามิกที่มีอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษและทนต่อการกัดกร่อนบนส่วนประกอบกราไฟท์ การเคลือบเหล่านี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนกราไฟท์ ยับยั้งการเคลื่อนตัวของสารเจือปน และเพิ่มความบริสุทธิ์ของคริสตัล ในระหว่างการเจริญเติบโตของอีพิเทกเซียลของ SiC โดยทั่วไปจะใช้ฐานกราไฟท์ที่เคลือบด้วย SiC เพื่อรองรับและให้ความร้อนแก่ซับสเตรตผลึกเดี่ยว อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานของฐานเหล่านี้ยังคงต้องมีการปรับปรุง และต้องมีการทำความสะอาดเป็นระยะเพื่อกำจัดคราบ SiC ออกจากอินเทอร์เฟซ เมื่อเปรียบเทียบแทนทาลัมสารเคลือบคาร์ไบด์ (TaC)มีความต้านทานที่เหนือกว่าต่อบรรยากาศที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและอุณหภูมิสูง ทำให้เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญในการบรรลุการเติบโตของผลึก SiC ที่เหมาะสมที่สุด

ด้วยจุดหลอมเหลวที่ 3880°Cแทคมีความแข็งแรงทางกล ความแข็ง และทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนสูง โดยจะรักษาความเฉื่อยทางเคมีและความเสถียรทางความร้อนได้ดีเยี่ยมภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้องกับไอระเหยที่ประกอบด้วยแอมโมเนีย ไฮโดรเจน และซิลิกอน วัสดุกราไฟท์ (คาร์บอน-คาร์บอนคอมโพสิต) ที่เคลือบด้วยแทคมีแนวโน้มสูงที่จะนำมาใช้ทดแทนส่วนประกอบกราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูงแบบดั้งเดิม เคลือบ pBN และเคลือบ SiC นอกจากนี้ ในด้านการบินและอวกาศแทคมีศักยภาพที่สำคัญในการใช้เป็นสารเคลือบที่ทนต่อการเกิดออกซิเดชันและการระเหยที่อุณหภูมิสูง ซึ่งให้โอกาสการใช้งานในวงกว้าง อย่างไรก็ตาม ได้ความหนาสม่ำเสมอ และไม่ลอกการเคลือบแทซีบนพื้นผิวกราไฟท์และการส่งเสริมการผลิตในระดับอุตสาหกรรมทำให้เกิดความท้าทายหลายประการ การทำความเข้าใจกลไกการป้องกันของการเคลือบ การสร้างสรรค์กระบวนการผลิตที่เป็นนวัตกรรม และการแข่งขันกับมาตรฐานสากลระดับสูง มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเติบโตและการพัฒนาแบบ epitaxal ของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม

โดยสรุป การพัฒนาและการประยุกต์ใช้ส่วนประกอบกราไฟท์เคลือบ TaC มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการเติบโตของเวเฟอร์ SiC ตอบโจทย์ความท้าทายในการเคลือบแทซีการเตรียมการและการพัฒนาอุตสาหกรรมจะเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างความมั่นใจในการเติบโตของคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์คุณภาพสูงและการขยายการใช้งานการเคลือบ แทคในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงต่างๆ

1. การใช้ส่วนประกอบกราไฟท์เคลือบ แทค

(1) ถ้วยใส่ตัวอย่าง ตัวยึดคริสตัลเมล็ดพืช และท่อไหลเข้าการเติบโตของ PVT ของผลึกเดี่ยว SiC และ AlN

ในระหว่างวิธีการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) สำหรับการเตรียม SiC ผลึกเมล็ดจะถูกวางในโซนที่มีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ ในขณะที่วัตถุดิบ SiC อยู่ในโซนที่มีอุณหภูมิสูง (สูงกว่า 2400°C) วัตถุดิบจะสลายตัวเป็นก๊าซสายพันธุ์ (SiXCy) ซึ่งถูกขนส่งจากโซนอุณหภูมิสูงไปยังโซนอุณหภูมิต่ำซึ่งเป็นที่ตั้งผลึกเมล็ดพืช กระบวนการนี้ซึ่งรวมถึงการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตเพื่อสร้างผลึกเดี่ยว ต้องใช้วัสดุสนามความร้อน เช่น ถ้วยใส่ตัวอย่าง วงแหวนการไหล และตัวยึดคริสตัลเมล็ดพืชที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูง และไม่ปนเปื้อนวัตถุดิบและคริสตัล SiC มีข้อกำหนดที่คล้ายกันสำหรับการเติบโตของผลึกเดี่ยวของ AlN โดยที่องค์ประกอบความร้อนจะต้องต้านทานการกัดกร่อนของไออัลและ N2 และมีอุณหภูมิยูเทคติกสูงเพื่อลดรอบการเตรียมคริสตัล

การศึกษาพบว่าการใช้วัสดุกราไฟท์เคลือบ แทคในเขตความร้อนสำหรับการเตรียม SiC และ AlN ส่งผลให้ผลึกสะอาดขึ้น โดยมีคาร์บอน ออกซิเจน และไนโตรเจนเจือปนน้อยลง ข้อบกพร่องที่ขอบจะลดลง และความต้านทานในภูมิภาคต่างๆ ลดลงอย่างเห็นได้ชัด พร้อมด้วยไมโครพอร์และความหนาแน่นของหลุมกัดกร่อน ซึ่งช่วยเพิ่มคุณภาพของคริสตัลได้อย่างมาก นอกจากนี้แทคถ้วยใส่ตัวอย่างแสดงการสูญเสียน้ำหนักเล็กน้อยและไม่มีความเสียหาย ทำให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ (โดยมีอายุการใช้งานสูงสุด 200 ชั่วโมง) เพิ่มความยั่งยืนและประสิทธิภาพของการเตรียมผลึกเดี่ยว

(2) เครื่องทำความร้อนใน MOCVD GaN Epitaxis Layer Growth

การเติบโตของ MOCVD GaN เกี่ยวข้องกับการใช้เทคโนโลยีการสะสมไอสารเคมีเพื่อสร้างฟิล์มบางแบบ epitaxis ความแม่นยำและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิห้องทำให้เครื่องทำความร้อนเป็นส่วนประกอบที่สำคัญ ต้องให้ความร้อนแก่พื้นผิวอย่างสม่ำเสมอและสม่ำเสมอในระยะเวลานาน และรักษาเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูงภายใต้ก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความสามารถในการรีไซเคิลของเครื่องทำความร้อนระบบ MOCVD GaNกราไฟท์เคลือบ แทคเครื่องทำความร้อนได้รับการแนะนำเรียบร้อยแล้ว เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องทำความร้อนแบบดั้งเดิมที่มีการเคลือบ pBN เครื่องทำความร้อน TaC แสดงประสิทธิภาพที่เทียบเคียงได้ในโครงสร้างผลึก ความสม่ำเสมอของความหนา ข้อบกพร่องที่แท้จริง การเติมสารเจือปน และระดับการปนเปื้อน ความต้านทานต่ำและการแผ่รังสีพื้นผิวของการเคลือบแทซีเพิ่มประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอของเครื่องทำความร้อน ลดการใช้พลังงานและการกระจายความร้อน ความพรุนที่ปรับได้ของการเคลือบช่วยปรับปรุงลักษณะการแผ่รังสีของเครื่องทำความร้อนให้ดียิ่งขึ้นและยืดอายุการใช้งานอีกด้วยกราไฟท์เคลือบ แทคเครื่องทำความร้อนเป็นตัวเลือกที่เหนือกว่าสำหรับระบบการเติบโตของ MOCVD GaN

รูปที่ 2 (a) แผนผังของอุปกรณ์ MOCVD สำหรับการเจริญเติบโตของ epitaxis ของ GaN

(b) เครื่องทำความร้อนกราไฟท์เคลือบ TaC ขึ้นรูปที่ติดตั้งในการตั้งค่า MOCVD ไม่รวมฐานและส่วนรองรับ (สิ่งที่ใส่เข้าไปแสดงฐานและส่วนรองรับระหว่างการให้ความร้อน)

(ค)เครื่องทำความร้อนกราไฟท์เคลือบ TaC หลังจากการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว GaN 17 รอบ

(3)ถาดเคลือบอีปิแอกเซียล (ตัวพาเวเฟอร์)

ตัวพาเวเฟอร์เป็นส่วนประกอบโครงสร้างที่สำคัญในการเตรียมการและการเติบโตของอีพิแทกเซียลของเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม เช่น SiC, AlN และ GaN ตัวพาเวเฟอร์ส่วนใหญ่ทำจากกราไฟต์และเคลือบด้วย SiC เพื่อต้านทานการกัดกร่อนจากก๊าซในกระบวนการ โดยทำงานภายในช่วงอุณหภูมิ 1100 ถึง 1600°C ความสามารถในการป้องกันการกัดกร่อนของสารเคลือบป้องกันมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออายุการใช้งานของผู้ขนส่ง

การวิจัยระบุว่าอัตราการกัดกร่อนของ TaC ช้ากว่า SiC อย่างมากในสภาพแวดล้อมที่มีแอมโมเนียและไฮโดรเจนที่มีอุณหภูมิสูง ทำให้เคลือบแทซีถาดเข้ากันได้กับกระบวนการ GaN MOCVD สีน้ำเงินมากกว่าและป้องกันการปนเปื้อน ประสิทธิภาพ LED ที่เพิ่มขึ้นโดยใช้ผู้ให้บริการ แทคเทียบได้กับผู้ให้บริการ SiC แบบดั้งเดิมด้วยเคลือบแทซีถาดที่แสดงให้เห็นถึงอายุการใช้งานที่เหนือกว่า

รูปที่ 3 ถาดเวเฟอร์ที่ใช้ในอุปกรณ์ MOCVD (Veeco P75) สำหรับการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว GaN ถาดด้านซ้ายเคลือบด้วย TaC ในขณะที่ถาดด้านขวาเคลือบด้วย SiC

2. ความท้าทายในส่วนประกอบกราไฟท์เคลือบ แทค

การยึดเกาะ:ความแตกต่างระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนแทคและวัสดุคาร์บอนส่งผลให้มีความแข็งแรงในการยึดเกาะของสารเคลือบต่ำ ทำให้เกิดรอยแตกร้าว ความพรุน และความเครียดจากความร้อน ซึ่งอาจนำไปสู่การหลุดร่อนของสารเคลือบภายใต้บรรยากาศที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและการหมุนเวียนของอุณหภูมิซ้ำๆ

ความบริสุทธิ์: การเคลือบ แทคจะต้องรักษาความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษเพื่อหลีกเลี่ยงการแนะนำสิ่งสกปรกที่อุณหภูมิสูง จำเป็นต้องกำหนดมาตรฐานสำหรับการประเมินคาร์บอนอิสระและสิ่งเจือปนภายในสารเคลือบ

ความเสถียร:ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงกว่า 2300°C และบรรยากาศทางเคมีถือเป็นสิ่งสำคัญ ข้อบกพร่อง เช่น รูเข็ม รอยแตก และขอบเขตของเกรนผลึกเดี่ยว เสี่ยงต่อการแทรกซึมของก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวในการเคลือบ

ความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน:แทคเริ่มออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 500°C ก่อตัวเป็น Ta2O5 อัตราออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและความเข้มข้นของออกซิเจน โดยเริ่มจากขอบเขตของเกรนและเกรนขนาดเล็ก นำไปสู่การเสื่อมสภาพของชั้นเคลือบอย่างมีนัยสำคัญและการแตกเป็นเสี่ยงในที่สุด

ความสม่ำเสมอและความหยาบ: การกระจายตัวของการเคลือบที่ไม่สอดคล้องกันอาจทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนเฉพาะที่ เพิ่มความเสี่ยงของการแตกร้าวและการแตกเป็นเสี่ยง ความหยาบของพื้นผิวส่งผลต่อปฏิกิริยากับสภาพแวดล้อมภายนอก โดยความหยาบที่สูงขึ้นจะนำไปสู่การเสียดสีที่เพิ่มขึ้นและสนามความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ

ขนาดเกรน:ขนาดเกรนที่สม่ำเสมอช่วยเพิ่มความเสถียรในการเคลือบ ในขณะที่เกรนที่มีขนาดเล็กมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อน ทำให้เกิดความพรุนเพิ่มขึ้นและการปกป้องลดลง เมล็ดข้าวที่ใหญ่ขึ้นอาจทำให้เกิดการแตกเป็นเสี่ยงที่เกิดจากความเครียดจากความร้อน

3. บทสรุปและแนวโน้ม

ส่วนประกอบกราไฟท์เคลือบ TaC เป็นที่ต้องการของตลาดอย่างมากและมีแนวโน้มการใช้งานในวงกว้าง การผลิตกระแสหลักของการเคลือบ แทคปัจจุบันอาศัยส่วนประกอบ CVD TaC แต่ต้นทุนที่สูงและประสิทธิภาพการสะสมที่จำกัดของอุปกรณ์ CVD ยังไม่ได้แทนที่วัสดุกราไฟท์เคลือบ SiC แบบเดิม วิธีการเผาผนึกสามารถลดต้นทุนวัตถุดิบได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรองรับรูปทรงกราไฟท์ที่ซับซ้อน เพื่อตอบสนองความต้องการในการใช้งานที่หลากหลาย บริษัทอย่าง AFTech, CGT Carbon GmbH และ Toyo Tanso เติบโตเต็มที่แล้วการเคลือบแทซีกระบวนการและครองตลาด

ในประเทศจีน การพัฒนาของส่วนประกอบกราไฟท์เคลือบ แทคยังอยู่ในขั้นตอนการทดลองและการพัฒนาอุตสาหกรรมขั้นต้น เพื่อพัฒนาอุตสาหกรรม เพิ่มประสิทธิภาพวิธีการเตรียมการในปัจจุบัน สำรวจกระบวนการเคลือบ TaC คุณภาพสูงใหม่ๆ และทำความเข้าใจการเคลือบแทซีกลไกการป้องกันและโหมดความล้มเหลวถือเป็นสิ่งสำคัญ กำลังขยายตัวการใช้งานเคลือบ แทคต้องใช้นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องจากสถาบันวิจัยและบริษัทต่างๆ ในขณะที่ตลาดเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามในประเทศเติบโตขึ้น ความต้องการการเคลือบประสิทธิภาพสูงก็จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ทางเลือกในประเทศกลายเป็นแนวโน้มของอุตสาหกรรมในอนาคต-