Ứng dụng của các bộ phận than chì được phủ TaC trong lò nung đơn tinh thể

Ứng dụng củaCác bộ phận than chì được phủ TaCtrong lò nung đơn tinh thể

PHẦN 1

Trong quá trình phát triển các tinh thể đơn SiC và AlN bằng phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT), các thành phần quan trọng như nồi nấu kim loại, giá đỡ hạt và vòng dẫn hướng đóng một vai trò quan trọng. Như mô tả trong Hình 2 [1], trong quá trình PVT, tinh thể mầm được đặt ở vùng nhiệt độ thấp hơn, trong khi nguyên liệu thô SiC tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn (trên 2400oC). Điều này dẫn đến sự phân hủy nguyên liệu thô, tạo ra các hợp chất SiXCy (chủ yếu bao gồm Si, SiC₂, Si₂C, v.v.). Sau đó, vật liệu ở pha hơi được vận chuyển từ vùng nhiệt độ cao đến tinh thể mầm ở vùng nhiệt độ thấp, dẫn đến sự hình thành nhân hạt, sự phát triển của tinh thể và tạo ra các tinh thể đơn lẻ. Do đó, các vật liệu trường nhiệt được sử dụng trong quy trình này, chẳng hạn như nồi nấu kim loại, vòng dẫn hướng dòng chảy và giá đỡ tinh thể mầm, cần có khả năng chịu nhiệt độ cao mà không làm nhiễm bẩn nguyên liệu thô SiC và các tinh thể đơn lẻ. Tương tự, các bộ phận làm nóng được sử dụng trong quá trình phát triển tinh thể AlN phải chịu được hơi Al và sự ăn mòn N₂, đồng thời có nhiệt độ eutectic cao (với AlN) để giảm thời gian chuẩn bị tinh thể.

Người ta đã quan sát thấy rằng việc sử dụng vật liệu trường nhiệt than chì được phủ TaC để điều chế SiC [2-5] và AlN [2-3] sẽ tạo ra các sản phẩm sạch hơn với lượng cacbon (oxy, nitơ) và các tạp chất khác tối thiểu. Những vật liệu này có ít khuyết tật ở cạnh hơn và điện trở suất thấp hơn ở mỗi vùng. Ngoài ra, mật độ của các vi lỗ và vết ăn mòn (sau khi ăn mòn KOH) giảm đáng kể, dẫn đến sự cải thiện đáng kể về chất lượng tinh thể. Hơn nữa, nồi nấu kim loại TaC cho thấy mức giảm trọng lượng gần như bằng 0, duy trì vẻ ngoài không bị phá hủy và có thể tái chế (với tuổi thọ lên tới 200 giờ), do đó nâng cao tính bền vững và hiệu quả của các quy trình chuẩn bị tinh thể đơn.

QUẢ SUNG. 2. (a) Sơ đồ thiết bị nuôi phôi đơn tinh thể SiC bằng phương pháp PVT

(b) Khung hạt giống được phủ TaC trên cùng (bao gồm hạt SiC)

(c) Vòng dẫn hướng bằng than chì được phủ TAC

Bộ gia nhiệt tăng trưởng lớp epiticular MOCVD GaN

PHẦN 2

Trong lĩnh vực tăng trưởng GaN MOCVD (Lắng đọng hơi hóa học hữu cơ-kim loại), một kỹ thuật quan trọng để tăng trưởng epiticular hơi của màng mỏng thông qua các phản ứng phân hủy kim loại hữu cơ, bộ gia nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được sự kiểm soát nhiệt độ chính xác và tính đồng nhất trong buồng phản ứng. Như minh họa trong Hình 3 (a), bộ gia nhiệt được coi là thành phần cốt lõi của thiết bị MOCVD. Khả năng làm nóng nhanh chóng và đồng đều chất nền trong thời gian dài (bao gồm cả chu kỳ làm mát lặp đi lặp lại), chịu được nhiệt độ cao (chống ăn mòn khí) và duy trì độ tinh khiết của màng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lắng đọng màng, độ đồng nhất của độ dày và hiệu suất chip.

Để nâng cao hiệu suất và hiệu quả tái chế của bộ gia nhiệt trong hệ thống tăng trưởng MOCVD GaN, việc giới thiệu bộ gia nhiệt than chì phủ TaC đã thành công. Ngược lại với các máy gia nhiệt thông thường sử dụng lớp phủ pBN (pyrolytic boron nitride), các lớp epiticular GaN được trồng bằng máy gia nhiệt TaC thể hiện cấu trúc tinh thể gần như giống hệt nhau, độ đồng đều về độ dày, hình thành khuyết tật nội tại, pha tạp tạp chất và mức độ ô nhiễm. Hơn nữa, lớp phủ TaC thể hiện điện trở suất thấp và độ phát xạ bề mặt thấp, giúp cải thiện hiệu suất và tính đồng nhất của bộ sưởi, từ đó giảm tiêu thụ điện năng và thất thoát nhiệt. Bằng cách kiểm soát các thông số quy trình, độ xốp của lớp phủ có thể được điều chỉnh để nâng cao hơn nữa đặc tính bức xạ của lò sưởi và kéo dài tuổi thọ của nó [5]. Những ưu điểm này giúp thiết bị gia nhiệt bằng than chì được phủ TaC trở thành sự lựa chọn tuyệt vời cho các hệ thống tăng trưởng MOCVD GaN.

QUẢ SUNG. 3. (a) Sơ đồ thiết bị MOCVD cho quá trình tăng trưởng epiticular GaN

(b) Bộ gia nhiệt than chì phủ TAC đúc được lắp đặt trong thiết lập MOCVD, không bao gồm đế và giá đỡ (hình minh họa cho thấy đế và giá đỡ khi gia nhiệt)

(c) Lò sưởi than chì được phủ TAC sau khi tăng trưởng epiticular 17 GaN. 

Chất nhạy cảm được phủ cho Epitaxy (Chất mang wafer)

PHẦN/3

Chất mang wafer, một thành phần cấu trúc quan trọng được sử dụng để chế tạo các tấm bán dẫn loại ba như SiC, AlN và GaN, đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tăng trưởng wafer epiticular. Thường được làm bằng than chì, chất mang bán dẫn được phủ SiC để chống ăn mòn từ khí xử lý trong phạm vi nhiệt độ epiticular từ 1100 đến 1600 °C. Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ bảo vệ ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của chất mang bán dẫn. Kết quả thí nghiệm cho thấy TaC thể hiện tốc độ ăn mòn chậm hơn khoảng 6 lần so với SiC khi tiếp xúc với amoniac ở nhiệt độ cao. Trong môi trường hydro nhiệt độ cao, tốc độ ăn mòn của TaC thậm chí còn chậm hơn SiC tới 10 lần.

Bằng chứng thực nghiệm đã chứng minh rằng các khay được phủ TaC thể hiện khả năng tương thích tuyệt vời trong quy trình GaN MOCVD ánh sáng xanh mà không tạo ra tạp chất. Với những điều chỉnh quy trình hạn chế, đèn LED được trồng bằng cách sử dụng chất mang TaC thể hiện hiệu suất và tính đồng nhất tương đương với đèn LED được trồng bằng chất mang SiC thông thường. Do đó, tuổi thọ sử dụng của các chất mang wafer được phủ TaC vượt trội so với các chất mang than chì không được phủ và phủ SiC.

Nhân vật. Khay wafer sau khi sử dụng trong thiết bị MOCVD trồng epiticular GaN (Veeco P75). Cái bên trái được phủ TaC và cái bên phải được phủ SiC.

Phương pháp chuẩn bị chungCác bộ phận than chì được phủ TaC

PHẦN 1

Phương pháp CVD (Lắng đọng hơi hóa học):

Ở 900-2300oC, sử dụng TaCl5 và CnHm làm nguồn tantalum và carbon, H₂ làm khí quyển khử, khí mang Ar₂as, màng lắng đọng phản ứng. Lớp phủ được chuẩn bị nhỏ gọn, đồng đều và có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, có một số vấn đề như quy trình phức tạp, chi phí đắt đỏ, khó kiểm soát luồng không khí và hiệu suất lắng đọng thấp.

PHẦN 2

Phương pháp thiêu kết bùn:

Bùn chứa nguồn carbon, nguồn tantalum, chất phân tán và chất kết dính được phủ lên than chì và thiêu kết ở nhiệt độ cao sau khi sấy khô. Lớp phủ đã chuẩn bị phát triển mà không cần định hướng thường xuyên, có chi phí thấp và phù hợp cho sản xuất quy mô lớn. Vẫn còn phải nghiên cứu để đạt được lớp phủ đồng nhất và đầy đủ trên than chì lớn, loại bỏ các khuyết tật hỗ trợ và tăng cường lực liên kết lớp phủ.

PHẦN/3

Phương pháp phun plasma:

Bột TaC được làm nóng chảy bởi hồ quang plasma ở nhiệt độ cao, được nguyên tử hóa thành các giọt nhiệt độ cao bằng tia phản lực tốc độ cao và phun lên bề mặt vật liệu than chì. Rất dễ hình thành lớp oxit trong môi trường không chân không và mức tiêu thụ năng lượng lớn.

Các bộ phận than chì phủ TaC cần được giải quyết

PHẦN 1

Lực ràng buộc:

Hệ số giãn nở nhiệt và các tính chất vật lý khác giữa TaC và vật liệu carbon là khác nhau, độ bền liên kết của lớp phủ thấp, khó tránh khỏi các vết nứt, lỗ chân lông và ứng suất nhiệt, lớp phủ dễ bong tróc trong môi trường thực tế có chứa thối và quá trình tăng và làm mát lặp đi lặp lại.

PHẦN 2

độ tinh khiết:

Lớp phủ TaC cần phải có độ tinh khiết cực cao để tránh tạp chất và ô nhiễm trong điều kiện nhiệt độ cao, đồng thời cần phải thống nhất các tiêu chuẩn hàm lượng hiệu quả và tiêu chuẩn đặc tính của carbon tự do và tạp chất nội tại trên bề mặt và bên trong lớp phủ đầy đủ.

PHẦN/3

Sự ổn định:

Khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng chống chịu không khí hóa học trên 2300oC là những chỉ số quan trọng nhất để kiểm tra độ ổn định của lớp phủ. Các lỗ kim, vết nứt, góc bị thiếu và ranh giới hạt định hướng đơn lẻ dễ khiến khí ăn mòn xâm nhập và xâm nhập vào than chì, dẫn đến hỏng lớp bảo vệ lớp phủ.

PHẦN/4

Chống oxy hóa:

TaC bắt đầu oxy hóa thành Ta2O5 khi nhiệt độ trên 500oC và tốc độ oxy hóa tăng mạnh khi nhiệt độ và nồng độ oxy tăng. Quá trình oxy hóa bề mặt bắt đầu từ ranh giới hạt và các hạt nhỏ, dần dần hình thành các tinh thể cột và tinh thể bị vỡ, dẫn đến một số lượng lớn các khoảng trống và lỗ hổng, đồng thời sự xâm nhập của oxy tăng cường cho đến khi lớp phủ bị bong ra. Lớp oxit thu được có độ dẫn nhiệt kém và bề ngoài có nhiều màu sắc khác nhau.

PHẦN/5

Tính đồng nhất và độ nhám:

Sự phân bố không đồng đều của bề mặt lớp phủ có thể dẫn đến sự tập trung ứng suất nhiệt cục bộ, làm tăng nguy cơ nứt vỡ. Ngoài ra, độ nhám bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến sự tương tác giữa lớp phủ và môi trường bên ngoài, độ nhám quá cao dễ dẫn đến tăng ma sát với wafer và trường nhiệt không đều.

PHẦN/6

Kích thước hạt:

Kích thước hạt đồng đều giúp độ ổn định của lớp phủ. Nếu kích thước hạt nhỏ, liên kết không chặt, dễ bị oxy hóa và ăn mòn, dẫn đến mép hạt có nhiều vết nứt và lỗ thủng, làm giảm hiệu quả bảo vệ của lớp phủ. Nếu kích thước hạt quá lớn, nó tương đối thô và lớp phủ dễ bị bong ra dưới tác dụng của nhiệt.

Kết luận và triển vọng

Nói chung,Các bộ phận than chì được phủ TaCtrên thị trường có nhu cầu rất lớn và triển vọng ứng dụng rộng rãi, hiện nayCác bộ phận than chì được phủ TaCxu hướng sản xuất chủ đạo là dựa vào các thành phần CVD TaC. Tuy nhiên, do chi phí thiết bị sản xuất CVD TaC cao và hiệu quả lắng đọng hạn chế nên vật liệu than chì phủ SiC truyền thống vẫn chưa được thay thế hoàn toàn. Phương pháp thiêu kết có thể giảm chi phí nguyên liệu thô một cách hiệu quả và có thể thích ứng với hình dạng phức tạp của các bộ phận than chì, để đáp ứng nhu cầu của nhiều tình huống ứng dụng khác nhau.