Application de pièces en graphite revêtues de TaC dans des fours monocristallins

Application dePièces en graphite revêtues de TaCdans les fours monocristallins

PARTIE 1

Dans la croissance de monocristaux de SiC et d'AlN à l'aide de la méthode de transport physique de vapeur (PVT), des composants cruciaux tels que le creuset, le porte-graines et l'anneau de guidage jouent un rôle essentiel. Comme le montre la figure 2 [1], au cours du processus PVT, le germe cristallin est positionné dans la région de température la plus basse, tandis que la matière première SiC est exposée à des températures plus élevées (au-dessus de 2 400 ℃). Cela conduit à la décomposition de la matière première, produisant des composés SiXCy (comprenant principalement Si, SiC₂, Si₂C, etc.). Le matériau en phase vapeur est ensuite transporté de la région à haute température vers le cristal germe dans la région à basse température, ce qui entraîne la formation de noyaux germes, la croissance cristalline et la génération de monocristaux. Par conséquent, les matériaux de champ thermique utilisés dans ce processus, tels que le creuset, l'anneau de guidage d'écoulement et le support de germes de cristal, doivent présenter une résistance aux températures élevées sans contaminer les matières premières et les monocristaux de SiC. De même, les éléments chauffants utilisés dans la croissance cristalline de l'AlN doivent résister à la vapeur d'Al et à la corrosion du N₂, tout en possédant une température eutectique élevée (avec l'AlN) pour réduire le temps de préparation des cristaux.

Il a été observé que l'utilisation de matériaux de champ thermique en graphite revêtus de TaC pour la préparation de SiC [2-5] et d'AlN [2-3] donne des produits plus propres avec un minimum de carbone (oxygène, azote) et d'autres impuretés. Ces matériaux présentent moins de défauts de bord et une résistivité plus faible dans chaque région. De plus, la densité des micropores et des piqûres de gravure (après gravure au KOH) est considérablement réduite, conduisant à une amélioration substantielle de la qualité des cristaux. De plus, le creuset TaC présente une perte de poids quasi nulle, conserve un aspect non destructif et peut être recyclé (avec une durée de vie allant jusqu'à 200 heures), améliorant ainsi la durabilité et l'efficacité des processus de préparation de monocristaux.

FIGUE. 2. (a) Diagramme schématique du dispositif de culture de lingots monocristallins SiC par méthode PVT

(b) Support de semences enrobé Top TaC (y compris les semences SiC)

(c) Bague de guidage en graphite revêtue de TAC

Réchauffeur de croissance de couche épitaxiale MOCVD GaN

PARTIE 2

Dans le domaine de la croissance de GaN MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), une technique cruciale pour la croissance épitaxiale en phase vapeur de films minces par le biais de réactions de décomposition organométallique, le réchauffeur joue un rôle essentiel dans l'obtention d'un contrôle précis de la température et de l'uniformité au sein de la chambre de réaction. Comme l'illustre la figure 3 (a), le réchauffeur est considéré comme le composant essentiel de l'équipement MOCVD. Sa capacité à chauffer rapidement et uniformément le substrat sur des périodes prolongées (y compris des cycles de refroidissement répétés), à résister à des températures élevées (résistant à la corrosion gazeuse) et à maintenir la pureté du film a un impact direct sur la qualité du dépôt du film, la cohérence de l'épaisseur et les performances des copeaux.

Pour améliorer les performances et l’efficacité du recyclage des éléments chauffants dans les systèmes de croissance MOCVD GaN, l’introduction d’éléments chauffants en graphite revêtus de TaC a été un succès. Contrairement aux appareils de chauffage conventionnels qui utilisent des revêtements en pBN (nitrure de bore pyrolytique), les couches épitaxiales de GaN cultivées à l'aide d'appareils de chauffage TaC présentent des structures cristallines, une uniformité d'épaisseur, une formation de défauts intrinsèques, un dopage d'impuretés et des niveaux de contamination presque identiques. De plus, le revêtement TaC présente une faible résistivité et une faible émissivité de surface, ce qui se traduit par une efficacité et une uniformité améliorées du chauffage, réduisant ainsi la consommation d'énergie et la perte de chaleur. En contrôlant les paramètres du processus, la porosité du revêtement peut être ajustée pour améliorer encore les caractéristiques de rayonnement du radiateur et prolonger sa durée de vie [5]. Ces avantages font des radiateurs en graphite revêtus de TaC un excellent choix pour les systèmes de croissance MOCVD GaN.

FIGUE. 3. (a) Diagramme schématique du dispositif MOCVD pour la croissance épitaxiale de GaN

(b) Chauffage en graphite moulé à revêtement TAC installé dans la configuration MOCVD, à l'exclusion de la base et du support (illustration montrant la base et le support en chauffage)

(c) Réchauffeur en graphite revêtu de TAC après croissance épitaxiale de 17 GaN. 

Suscepteur enrobé pour épitaxie (support de plaquette)

PARTIE/3

Le support de tranche, un composant structurel crucial utilisé dans la préparation de tranches semi-conductrices de troisième classe telles que SiC, AlN et GaN, joue un rôle essentiel dans les processus de croissance épitaxiale des tranches. Généralement constitué de graphite, le support de tranche est recouvert de SiC pour résister à la corrosion causée par les gaz de traitement dans une plage de températures épitaxiales de 1 100 à 1 600 °C. La résistance à la corrosion du revêtement protecteur a un impact significatif sur la durée de vie du support de tranche. Les résultats expérimentaux ont montré que le TaC présente un taux de corrosion environ 6 fois plus lent que le SiC lorsqu'il est exposé à de l'ammoniac à haute température. Dans les environnements hydrogène à haute température, le taux de corrosion du TaC est encore plus de 10 fois plus lent que celui du SiC.

Des preuves expérimentales ont démontré que les plateaux recouverts de TaC présentent une excellente compatibilité dans le processus GaN MOCVD à lumière bleue sans introduire d'impuretés. Avec des ajustements de processus limités, les LED cultivées à l'aide de supports TaC démontrent des performances et une uniformité comparables à celles cultivées à l'aide de supports SiC conventionnels. Par conséquent, la durée de vie des supports de tranches revêtus de TaC dépasse celle des supports en graphite non revêtus et revêtus de SiC.

Chiffre. Plateau de plaquettes après utilisation dans un dispositif MOCVD à croissance épitaxiale GaN (Veeco P75). Celui de gauche est recouvert de TaC et celui de droite est recouvert de SiC.

Méthode de préparation du communPièces en graphite revêtues de TaC

PARTIE 1

Méthode CVD (Chemical Vapor Deposition) :

À 900-2 300 ℃, en utilisant TaCl5 et CnHm comme sources de tantale et de carbone, H₂ comme atmosphère réductrice, Ar₂ comme gaz porteur, film de dépôt réactionnel. Le revêtement préparé est compact, uniforme et de haute pureté. Cependant, il existe certains problèmes tels qu'un processus compliqué, un coût élevé, un contrôle difficile du flux d'air et une faible efficacité de dépôt.

PARTIE 2

Méthode de frittage en boue :

La suspension contenant une source de carbone, une source de tantale, un dispersant et un liant est appliquée sur le graphite et frittée à haute température après séchage. Le revêtement préparé pousse sans orientation régulière, est peu coûteux et convient à une production à grande échelle. Il reste à explorer pour obtenir un revêtement uniforme et complet sur du graphite de grande taille, éliminer les défauts de support et améliorer la force de liaison du revêtement.

PARTIE/3

Méthode de pulvérisation plasma :

La poudre de TaC est fondue par arc plasma à haute température, atomisée en gouttelettes à haute température par jet à grande vitesse et pulvérisée sur la surface du matériau graphite. Il est facile de former une couche d’oxyde sans vide et la consommation d’énergie est importante.

Les pièces en graphite revêtues de TaC doivent être résolues

PARTIE 1

Force contraignante :

Le coefficient de dilatation thermique et d'autres propriétés physiques entre le TaC et les matériaux carbonés sont différents, la force de liaison du revêtement est faible, il est difficile d'éviter les fissures, les pores et les contraintes thermiques, et le revêtement est facile à décoller dans l'atmosphère réelle contenant de la pourriture et processus de montée et de refroidissement répétés.

PARTIE 2

Pureté:

Le revêtement TaC doit être d'une pureté ultra-élevée pour éviter les impuretés et la pollution dans des conditions de température élevée, et les normes de teneur efficaces et les normes de caractérisation du carbone libre et des impuretés intrinsèques à la surface et à l'intérieur du revêtement complet doivent être convenues.

PARTIE/3

La stabilité:

La résistance aux températures élevées et à l’atmosphère chimique supérieure à 2 300 ℃ sont les indicateurs les plus importants pour tester la stabilité du revêtement. Les trous d'épingle, les fissures, les coins manquants et les joints de grains à orientation unique provoquent facilement la pénétration et la pénétration de gaz corrosifs dans le graphite, entraînant une défaillance de la protection du revêtement.

PARTIE/4

Résistance à l'oxydation :

TaC commence à s'oxyder en Ta2O5 lorsqu'il est supérieur à 500 ℃, et le taux d'oxydation augmente fortement avec l'augmentation de la température et de la concentration en oxygène. L'oxydation de surface commence à partir des joints de grains et des petits grains, et forme progressivement des cristaux colonnaires et des cristaux brisés, entraînant un grand nombre de lacunes et de trous, et l'infiltration d'oxygène s'intensifie jusqu'à ce que le revêtement soit décapé. La couche d'oxyde résultante a une mauvaise conductivité thermique et une variété de couleurs en apparence.

PARTIE/5

Uniformité et rugosité :

Une répartition inégale de la surface du revêtement peut entraîner une concentration locale de contraintes thermiques, augmentant ainsi le risque de fissuration et d'effritement. De plus, la rugosité de la surface affecte directement l'interaction entre le revêtement et l'environnement externe, et une rugosité trop élevée entraîne facilement une friction accrue avec la tranche et un champ thermique inégal.

PARTIE/6

Taille d'un grain:

La granulométrie uniforme contribue à la stabilité du revêtement. Si la taille des grains est petite, la liaison n'est pas étanche et il est facile de s'oxyder et de se corroder, ce qui entraîne un grand nombre de fissures et de trous dans le bord du grain, ce qui réduit les performances de protection du revêtement. Si la granulométrie est trop grosse, elle est relativement rugueuse et le revêtement s'écaille facilement sous l'effet d'une contrainte thermique.

Conclusion et perspectives

En général,Pièces en graphite revêtues de TaCsur le marché a une demande énorme et un large éventail de perspectives d'application, l'actuelPièces en graphite revêtues de TaCLe courant dominant de la fabrication consiste à s’appuyer sur des composants CVD TaC. Cependant, en raison du coût élevé des équipements de production CVD TaC et de l’efficacité limitée du dépôt, les matériaux graphites traditionnels revêtus de SiC n’ont pas été complètement remplacés. Le procédé de frittage peut réduire efficacement le coût des matières premières et s'adapter à des formes complexes de pièces en graphite, de manière à répondre aux besoins de scénarios d'application plus différents.