TaC लेपित ग्रेफाइट घटकांचे अनुप्रयोग आणि विकास आव्हाने

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) वेफरच्या वाढीच्या संदर्भात, औष्णिक क्षेत्रात वापरल्या जाणाऱ्या पारंपारिक ग्रेफाइट सामग्री आणि कार्बन-कार्बन कंपोझिटना 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C) वर जटिल वातावरणाचा सामना करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आव्हानांना सामोरे जावे लागते. या सामग्रीचे आयुर्मान कमी असते, एक ते दहा भट्टी चक्रानंतर वेगवेगळे भाग बदलणे आवश्यक असते, परंतु उच्च तापमानात उदात्तीकरण आणि अस्थिरता देखील अनुभवते. यामुळे कार्बनचा समावेश आणि इतर क्रिस्टल दोष तयार होऊ शकतात. औद्योगिक उत्पादन खर्च लक्षात घेता अर्धसंवाहक क्रिस्टल्सची उच्च गुणवत्ता आणि स्थिर वाढ सुनिश्चित करण्यासाठी, ग्रेफाइट घटकांवर अति-उच्च तापमान आणि गंज-प्रतिरोधक सिरॅमिक कोटिंग्ज तयार करणे आवश्यक आहे. हे कोटिंग्स ग्रेफाइट भागांचे आयुष्य वाढवतात, अशुद्धतेचे स्थलांतर रोखतात आणि क्रिस्टल शुद्धता वाढवतात. SiC एपिटॅक्सियल ग्रोथ दरम्यान, SiC-लेपित ग्रेफाइट बेस सामान्यत: सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट्सला आधार देण्यासाठी आणि गरम करण्यासाठी वापरले जातात. तथापि, या तळांच्या आयुर्मानात अजूनही सुधारणा आवश्यक आहे आणि त्यांना इंटरफेसमधून SiC ठेव काढून टाकण्यासाठी वेळोवेळी साफसफाईची आवश्यकता आहे. त्या तुलनेत टँटलमकार्बाइड (TaC) कोटिंग्जसंक्षारक वातावरण आणि उच्च तापमानांना उत्कृष्ट प्रतिकार देतात, ज्यामुळे त्यांना इष्टतम SiC क्रिस्टल वाढ साध्य करण्यासाठी एक महत्त्वपूर्ण तंत्रज्ञान बनते.

3880°C च्या वितळण्याच्या बिंदूसह,TaCउच्च यांत्रिक शक्ती, कडकपणा आणि थर्मल शॉक प्रतिरोध प्रदर्शित करते. हे अमोनिया, हायड्रोजन आणि सिलिकॉन युक्त वाष्पांचा समावेश असलेल्या उच्च-तापमानाच्या परिस्थितीत उत्कृष्ट रासायनिक जडत्व आणि थर्मल स्थिरता राखते. ग्रेफाइट (कार्बन-कार्बन संमिश्र) सामग्रीसह लेपितTaCपारंपारिक उच्च-शुद्धता ग्रेफाइट, pBN-कोटेड आणि SiC-कोटेड घटकांच्या बदली म्हणून अत्यंत आशादायक आहेत. याव्यतिरिक्त, एरोस्पेस क्षेत्रात,TaCउच्च-तापमान ऑक्सिडेशन-प्रतिरोधक आणि पृथक्-प्रतिरोधक कोटिंग म्हणून वापरण्याची लक्षणीय क्षमता आहे, विस्तृत अनुप्रयोग संभावना प्रदान करते. तथापि, एक दाट, एकसमान आणि नॉन-पीलिंग साध्य करणेTaC कोटिंगग्रेफाइट पृष्ठभागांवर आणि त्याच्या औद्योगिक-प्रमाणात उत्पादनास प्रोत्साहन देणे अनेक आव्हाने आहेत. कोटिंगची संरक्षणात्मक यंत्रणा समजून घेणे, उत्पादन प्रक्रियेत नाविन्य आणणे आणि उच्च आंतरराष्ट्रीय मानकांशी स्पर्धा करणे हे तिसऱ्या पिढीतील अर्धसंवाहकांच्या वाढीसाठी आणि एपिटॅक्सियल विकासासाठी महत्त्वपूर्ण आहे.

शेवटी, TaC लेपित ग्रेफाइट घटकांचा विकास आणि वापर SiC वेफर ग्रोथ टेक्नॉलॉजीच्या प्रगतीसाठी महत्त्वपूर्ण आहे. मधील आव्हानांना संबोधित करणेTaC कोटिंगउच्च-गुणवत्तेची सेमीकंडक्टर क्रिस्टल वाढ सुनिश्चित करण्यासाठी आणि वापराचा विस्तार करण्यासाठी तयारी आणि औद्योगिकीकरण महत्त्वाचे असेलTaC कोटिंग्जविविध उच्च-तापमान अनुप्रयोगांमध्ये.

1. TaC लेपित ग्रेफाइट घटकांचा वापर

(1) क्रुसिबल, सीड क्रिस्टल होल्डर आणि फ्लो ट्यूब आतSiC आणि AlN सिंगल क्रिस्टल्सची PVT वाढ

SiC तयार करण्यासाठी भौतिक बाष्प वाहतूक (PVT) पद्धती दरम्यान, बियाणे क्रिस्टल तुलनेने कमी-तापमान झोनमध्ये ठेवले जाते तर SiC कच्चा माल उच्च-तापमान झोनमध्ये (2400°C च्या वर) असतो. कच्च्या मालाचे विघटन होऊन वायू प्रजाती (SiXCy) तयार होतात, ज्या उच्च-तापमान क्षेत्रातून कमी-तापमानाच्या झोनमध्ये नेल्या जातात जेथे बीज क्रिस्टल स्थित आहे. या प्रक्रियेत, ज्यामध्ये एकल क्रिस्टल्स तयार करण्यासाठी न्यूक्लिएशन आणि वाढ समाविष्ट आहे, क्रुसिबल्स, फ्लो रिंग्स आणि सीड क्रिस्टल होल्डर्स सारख्या उष्णता क्षेत्र सामग्रीची आवश्यकता असते जे उच्च तापमानास प्रतिरोधक असतात आणि SiC कच्चा माल आणि क्रिस्टल्स दूषित करत नाहीत. AlN सिंगल क्रिस्टल ग्रोथसाठी तत्सम आवश्यकता अस्तित्वात आहेत, जेथे गरम घटकांनी अल वाष्प आणि N2 गंजांना प्रतिकार करणे आवश्यक आहे आणि क्रिस्टल तयार करण्याचे चक्र लहान करण्यासाठी उच्च युटेक्टिक तापमान असणे आवश्यक आहे.

अभ्यासात असे दिसून आले आहे कीTaC लेपित ग्रेफाइट साहित्यSiC आणि AlN तयारीसाठी उष्णता क्षेत्रामध्ये कमी कार्बन, ऑक्सिजन आणि नायट्रोजन अशुद्धी असलेले स्वच्छ क्रिस्टल्स तयार होतात. काठावरील दोष कमी केले जातात आणि मायक्रोपोर आणि इच पिट घनतेसह विविध क्षेत्रांमधील प्रतिरोधकता लक्षणीयरीत्या कमी केली जाते, ज्यामुळे क्रिस्टल गुणवत्ता मोठ्या प्रमाणात वाढते. शिवाय, दTaCक्रूसिबल नगण्य वजन कमी आणि कोणतेही नुकसान दर्शविते, पुनर्वापर करण्यास परवानगी देते (200 तासांपर्यंतचे आयुष्य), एकल क्रिस्टल तयारीची टिकाऊपणा आणि कार्यक्षमता वाढवते.

(2) MOCVD GaN एपिटॅक्सियल लेयर ग्रोथ मधील हीटर

MOCVD GaN ग्रोथमध्ये पातळ फिल्म्स epitaxially वाढण्यासाठी रासायनिक बाष्प निक्षेप तंत्रज्ञान वापरणे समाविष्ट आहे. चेंबरच्या तापमानाची अचूकता आणि एकसमानता हीटरला महत्त्वपूर्ण घटक बनवते. ते दीर्घकाळापर्यंत सब्सट्रेट सातत्याने आणि एकसमान गरम केले पाहिजे आणि संक्षारक वायूंखाली उच्च तापमानात स्थिरता राखली पाहिजे.

MOCVD GaN सिस्टम हीटरची कार्यक्षमता आणि पुनर्वापरक्षमता सुधारण्यासाठी,TaC लेपित ग्रेफाइटहीटर यशस्वीरित्या सादर केले गेले आहेत. pBN कोटिंग्जसह पारंपारिक हीटर्सच्या तुलनेत, TaC हीटर्स क्रिस्टल स्ट्रक्चर, जाडी एकसमानता, आंतरिक दोष, अशुद्धता डोपिंग आणि दूषित पातळीमध्ये तुलनात्मक कामगिरी दर्शवतात. ची कमी प्रतिरोधकता आणि पृष्ठभाग उत्सर्जितताTaC कोटिंगहीटरची कार्यक्षमता आणि एकसमानता वाढवणे, ऊर्जेचा वापर आणि उष्णता कमी करणे. कोटिंगची समायोज्य सच्छिद्रता हीटरची रेडिएशन वैशिष्ट्ये आणखी सुधारते आणि त्याचे आयुष्य वाढवते.TaC लेपित ग्रेफाइटMOCVD GaN ग्रोथ सिस्टीमसाठी हीटर्स एक उत्तम पर्याय आहे.

आकृती 2. (अ) GaN एपिटॅक्सियल वाढीसाठी MOCVD उपकरणाचे योजनाबद्ध आकृती

(b) MOCVD सेटअपमध्ये स्थापित केलेले TaC कोटेड ग्रेफाइट हीटर, बेस आणि सपोर्ट्स वगळून (इनसेट बेस आणि हीटिंग दरम्यान समर्थन दर्शवते)

(c)GaN एपिटॅक्सियल वाढीच्या 17 चक्रांनंतर TaC लेपित ग्रेफाइट हीटर

(३)एपिटॅक्सियल कोटिंग ट्रे (वेफर वाहक)

SiC, AlN आणि GaN सारख्या तिसऱ्या पिढीतील अर्धसंवाहक वेफर्सची तयारी आणि एपिटॅक्सियल वाढीसाठी वेफर वाहक हे महत्त्वपूर्ण संरचनात्मक घटक आहेत. बहुतेक वेफर वाहक ग्रेफाइटचे बनलेले असतात आणि 1100 ते 1600 डिग्री सेल्सिअस तापमानाच्या मर्यादेत कार्य करणाऱ्या प्रक्रिया वायूंपासून गंजण्यास प्रतिकार करण्यासाठी SiC सह लेपित केलेले असतात. संरक्षणात्मक कोटिंगची गंजरोधक क्षमता वाहकाच्या आयुष्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे.

संशोधन असे सूचित करते की उच्च-तापमान अमोनिया आणि हायड्रोजन वातावरणात TaC चा गंज दर SiC पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी आहे, ज्यामुळेTaC लेपितट्रे निळ्या GaN MOCVD प्रक्रियेशी अधिक सुसंगत आणि अशुद्धता परिचय प्रतिबंधित करते. LED कार्यक्षमता वापरून घेतलेTaC वाहकपारंपारिक SiC वाहकांशी तुलना करता येतेTaC लेपितउत्कृष्ट आयुर्मान दाखवणारे ट्रे.

आकृती 3. MOCVD उपकरण (Veeco P75) मध्ये GaN epitaxial वाढीसाठी वापरलेले वेफर ट्रे. डावीकडील ट्रे TaC सह लेपित आहे, तर उजवीकडील ट्रे SiC सह लेपित आहे

2. TaC लेपित ग्रेफाइट घटकांमधील आव्हाने

आसंजन:दरम्यान थर्मल विस्तार गुणांक फरकTaCआणि कार्बन मटेरिअलमुळे कोटिंगची आसंजन शक्ती कमी होते, ज्यामुळे ते क्रॅकिंग, सच्छिद्रता आणि थर्मल स्ट्रेसला प्रवण बनते, ज्यामुळे संक्षारक वातावरणात कोटिंग स्पॅलेशन आणि वारंवार तापमान सायकलिंग होऊ शकते.

पवित्रता: TaC कोटिंग्जउच्च तापमानात अशुद्धता येऊ नये म्हणून अति-उच्च शुद्धता राखली पाहिजे. कोटिंगमधील मुक्त कार्बन आणि आंतरिक अशुद्धतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी मानके स्थापित करणे आवश्यक आहे.

स्थिरता:2300 डिग्री सेल्सिअस वरील उच्च तापमान आणि रासायनिक वातावरणाचा प्रतिकार गंभीर आहे. पिनहोल्स, क्रॅक आणि सिंगल क्रिस्टल ग्रेन बाउंड्री यासारखे दोष संक्षारक वायूच्या घुसखोरीसाठी संवेदनाक्षम असतात, ज्यामुळे कोटिंग निकामी होते.

ऑक्सिडेशन प्रतिरोध:TaC500°C पेक्षा जास्त तापमानात ऑक्सिडायझेशन सुरू होते, Ta2O5 बनते. ऑक्सिडेशन दर तापमान आणि ऑक्सिजनच्या एकाग्रतेसह वाढते, धान्याच्या सीमा आणि लहान धान्यांपासून सुरू होते, ज्यामुळे कोटिंगचा लक्षणीय ऱ्हास होतो आणि शेवटी स्पॅलेशन होते.

एकसमानता आणि खडबडीतपणा: विसंगत कोटिंग वितरणामुळे स्थानिक थर्मल ताण येऊ शकतो, ज्यामुळे क्रॅक आणि स्पॅलेशनचा धोका वाढतो. पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा बाह्य वातावरणाशी असलेल्या परस्परसंवादावर परिणाम करतो, उच्च उग्रपणामुळे घर्षण आणि असमान थर्मल फील्ड वाढते.

धान्य आकार:एकसमान धान्य आकार लेप स्थिरता वाढवते, तर लहान धान्य ऑक्सिडेशन आणि गंज होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे सच्छिद्रता वाढते आणि संरक्षण कमी होते. मोठ्या धान्यांमुळे थर्मल स्ट्रेस-प्रेरित स्पॅलेशन होऊ शकते.

3. निष्कर्ष आणि आउटलुक

TaC लेपित ग्रेफाइट घटकांना बाजारपेठेतील लक्षणीय मागणी आणि विस्तृत अनुप्रयोग संभावना आहेत. चे मुख्य प्रवाहातील उत्पादनTaC कोटिंग्जसध्या CVD TaC घटकांवर अवलंबून आहे, परंतु CVD उपकरणांची उच्च किंमत आणि मर्यादित डिपॉझिशन कार्यक्षमतेने अद्याप पारंपारिक SiC लेपित ग्रेफाइट सामग्रीची जागा घेतली नाही. सिंटरिंग पद्धती प्रभावीपणे कच्च्या मालाची किंमत कमी करू शकतात आणि जटिल ग्रेफाइट आकार सामावून घेऊ शकतात, विविध अनुप्रयोग गरजा पूर्ण करतात. AFTech, CGT कार्बन GmbH आणि Toyo Tanso सारख्या कंपन्या परिपक्व झाल्या आहेतTaC कोटिंगप्रक्रिया करतात आणि बाजारपेठेवर प्रभुत्व मिळवतात.

चीन मध्ये, च्या विकासTaC लेपित ग्रेफाइट घटकअजूनही प्रायोगिक आणि प्रारंभिक औद्योगिकीकरणाच्या टप्प्यात आहे. उद्योगाला प्रगत करण्यासाठी, सध्याच्या तयारी पद्धतींना अनुकूल करणे, नवीन उच्च-गुणवत्तेच्या TaC कोटिंग प्रक्रियांचा शोध घेणे आणि समजून घेणेTaC कोटिंगसंरक्षण यंत्रणा आणि अपयश मोड आवश्यक आहेत. विस्तारत आहेTaC कोटिंग अनुप्रयोगसंशोधन संस्था आणि कंपन्यांकडून सतत नवकल्पना आवश्यक आहे. देशांतर्गत तिसऱ्या पिढीतील अर्धसंवाहक बाजार जसजसा वाढत जाईल, तसतसे उच्च-कार्यक्षमता कोटिंग्जची मागणी वाढेल, ज्यामुळे देशांतर्गत पर्याय भविष्यातील उद्योग कल बनतील.**