تحديات التطبيق والتطوير لمكونات الجرافيت المطلية بـ TaC

في سياق نمو رقائق كربيد السيليكون (SiC)، تواجه مواد الجرافيت التقليدية ومركبات الكربون والكربون المستخدمة في المجال الحراري تحديات كبيرة في تحمل الغلاف الجوي المعقد عند 2300 درجة مئوية (Si، SiC₂، Si₂C). لا تتمتع هذه المواد بعمر افتراضي قصير فحسب، حيث تتطلب استبدال أجزاء مختلفة بعد دورة واحدة إلى عشر دورات فرن، ولكنها تتعرض أيضًا للتسامي والتطاير في درجات حرارة عالية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى تكوين شوائب الكربون والعيوب البلورية الأخرى. لضمان الجودة العالية والنمو المستقر لبلورات أشباه الموصلات مع الأخذ في الاعتبار تكاليف الإنتاج الصناعي، من الضروري تحضير طلاءات خزفية فائقة الحرارة ومقاومة للتآكل على مكونات الجرافيت. تعمل هذه الطلاءات على إطالة عمر أجزاء الجرافيت، وتمنع هجرة الشوائب، وتعزز نقاء الكريستال. أثناء النمو الفوقي لـ SiC، تُستخدم عادةً قواعد الجرافيت المطلية بـ SiC لدعم وتسخين ركائز بلورية مفردة. ومع ذلك، لا يزال عمر هذه القواعد بحاجة إلى التحسين، وتتطلب تنظيفًا دوريًا لإزالة رواسب SiC من الواجهات. وبالمقارنة، التنتالومطلاءات كربيد (TaC).توفر مقاومة فائقة للأجواء المسببة للتآكل ودرجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها تقنية مهمة لتحقيق النمو الأمثل لبلورات SiC.

مع نقطة انصهار تبلغ 3880 درجة مئوية،تاكيُظهر قوة ميكانيكية عالية وصلابة ومقاومة للصدمات الحرارية. إنه يحافظ على الخمول الكيميائي الممتاز والاستقرار الحراري في ظل ظروف درجات الحرارة العالية التي تشمل الأمونيا والهيدروجين والأبخرة المحتوية على السيليكون. مواد الجرافيت (مركب الكربون والكربون) المغلفةتاكتعتبر واعدة للغاية كبدائل للمكونات التقليدية عالية النقاء من الجرافيت والمغلفة بـ pBN والمغلفة بـ SiC. بالإضافة إلى ذلك، في مجال الطيران،تاكيتمتع بإمكانيات كبيرة للاستخدام كطلاء مقاوم للأكسدة ومقاوم للاجتثاث لدرجة الحرارة العالية، مما يوفر آفاقًا واسعة للتطبيق. إلا أنها تحصل على بشرة كثيفة وموحدة وغير متقشرةطلاء تاكعلى أسطح الجرافيت وتعزيز إنتاجه على نطاق صناعي يمثل العديد من التحديات. يعد فهم آليات الحماية للطلاء، وابتكار عمليات الإنتاج، والتنافس مع أعلى المعايير الدولية أمرًا بالغ الأهمية لنمو أشباه الموصلات من الجيل الثالث وتطويرها الفوقي.

في الختام، يعد تطوير وتطبيق مكونات الجرافيت المطلية بـ TaC أمرًا بالغ الأهمية لتطوير تكنولوجيا نمو رقاقة SiC. معالجة التحديات فيطلاء تاكسيكون الإعداد والتصنيع عاملاً أساسيًا لضمان نمو بلورات أشباه الموصلات عالية الجودة وتوسيع نطاق استخدامهاطلاءات تاكفي مختلف التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

1. تطبيق مكونات الجرافيت المطلية بـ تاك

(1) البوتقة وحامل كريستال البذور وأنبوب التدفقنمو PVT لبلورات SiC وAlN المفردة

أثناء طريقة نقل البخار الفيزيائي (PVT) لتحضير SiC، يتم وضع بلورة البذور في منطقة ذات درجة حرارة منخفضة نسبيًا بينما تكون المادة الخام SiC في منطقة ذات درجة حرارة عالية (أعلى من 2400 درجة مئوية). تتحلل المادة الخام لتنتج أنواعًا غازية (SiXCy)، والتي يتم نقلها من المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى المنطقة ذات درجة الحرارة المنخفضة حيث توجد بلورة البذور. تتطلب هذه العملية، التي تتضمن التنوي والنمو لتشكيل بلورات مفردة، مواد مجال حراري مثل البوتقات وحلقات التدفق وحوامل بلورات البذور المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة ولا تلوث المواد الخام والبلورات المصنوعة من كربيد السيليكون. توجد متطلبات مماثلة لنمو البلورة المفردة AlN، حيث يجب أن تقاوم عناصر التسخين تآكل بخار AlN وN2 وتكون درجة حرارتها سهلة الانصهار عالية لتقصير دورة تحضير البلورة.

وقد أظهرت الدراسات أن استخداممواد الجرافيت المطلية بـ تاكفي المجال الحراري لإعداد SiC وAlN ينتج بلورات أنظف تحتوي على عدد أقل من شوائب الكربون والأكسجين والنيتروجين. يتم تقليل عيوب الحواف، كما يتم تقليل المقاومة عبر المناطق المختلفة بشكل كبير، جنبًا إلى جنب مع المسام الصغيرة وكثافة الحفر، مما يعزز جودة البلورة بشكل كبير. علاوة على ذلك،تاكيُظهر البوتقة خسارة ضئيلة في الوزن ولا يوجد أي ضرر، مما يسمح بإعادة الاستخدام (مع عمر يصل إلى 200 ساعة)، مما يعزز استدامة وكفاءة إعداد البلورة الواحدة.

(2) السخان في نمو الطبقة الفوقي MOCVD GaN

يتضمن نمو MOCVD GaN استخدام تقنية ترسيب البخار الكيميائي لزراعة الأغشية الرقيقة بشكل فوقي. الدقة والتوحيد في درجة حرارة الغرفة تجعل السخان مكونًا حاسمًا. يجب أن تقوم بتسخين الركيزة باستمرار وبشكل موحد على مدى فترات طويلة والحفاظ على الاستقرار عند درجات حرارة عالية تحت الغازات المسببة للتآكل.

لتحسين الأداء وقابلية إعادة التدوير لسخان نظام MOCVD GaN،الجرافيت المطلي بـ تاكتم إدخال السخانات بنجاح. بالمقارنة مع السخانات التقليدية ذات الطلاءات pBN، تُظهر سخانات TaC أداءً مشابهًا في البنية البلورية، وتوحيد السماكة، والعيوب الجوهرية، وتعاطي الشوائب، ومستويات التلوث. المقاومة المنخفضة والانبعاثية السطحية للطلاء تاكتعزيز كفاءة السخان وتوحيده، مما يقلل من استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة. تعمل مسامية الطلاء القابلة للتعديل على تحسين خصائص إشعاع السخان وإطالة عمره الافتراضيالجرافيت المطلي بـ تاكتعتبر السخانات خيارًا ممتازًا لأنظمة نمو MOCVD GaN.

الشكل 2. (أ) رسم تخطيطي لجهاز MOCVD للنمو الفوقي GaN

(ب) سخان الجرافيت المطلي بـ TaC المثبت في إعداد MOCVD، باستثناء القاعدة والدعامات (يُظهر الشكل الداخلي القاعدة والدعامات أثناء التسخين)

(ج)سخان الجرافيت المطلي بـ TaC بعد 17 دورة من النمو الفوقي لـ GaN

(3)صواني الطلاء الفوقي (حاملات الويفر)

تعتبر حاملات الرقاقات مكونات هيكلية مهمة في التحضير والنمو الفوقي لرقائق أشباه الموصلات من الجيل الثالث مثل SiC وAlN وGaN. تُصنع معظم حاملات الرقاقات من الجرافيت ومغطاة بطبقة من كربيد السيليكون لمقاومة التآكل الناتج عن غازات المعالجة، وتعمل في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 1100 إلى 1600 درجة مئوية. تعد القدرة المضادة للتآكل للطلاء الواقي أمرًا بالغ الأهمية لعمر الناقل.

تشير الأبحاث إلى أن معدل تآكل TaC أبطأ بكثير من SiC في بيئات الأمونيا والهيدروجين ذات درجة الحرارة العالية، مما يجعلالمغلفة تاكالصواني أكثر توافقًا مع عمليات GaN MOCVD الزرقاء ومنع إدخال الشوائب. تم تطوير أداء LED باستخدامناقلات تاكيمكن مقارنته بحاملات SiC التقليدية، معالمغلفة تاكصواني تظهر عمرًا فائقًا.

الشكل 3. صواني الويفر المستخدمة في معدات MOCVD (Veeco P75) للنمو الفوقي لـ GaN. الصينية الموجودة على اليسار مطلية بـ TaC، بينما الصينية الموجودة على اليمين مطلية بـ SiC

2. التحديات في مكونات الجرافيت المطلية بـ تاك

التصاق:الفرق بين معامل التمدد الحراريتاكوالمواد الكربونية تؤدي إلى انخفاض قوة التصاق الطلاء، مما يجعلها عرضة للتشقق والمسامية والإجهاد الحراري، مما قد يؤدي إلى تشظي الطلاء في أجواء متآكلة ودورة درجات الحرارة المتكررة.

نقاء: طلاءات تاكيجب الحفاظ على درجة نقاء عالية للغاية لتجنب إدخال الشوائب في درجات حرارة عالية. يجب وضع معايير لتقييم الكربون الحر والشوائب الجوهرية داخل الطلاء.

استقرار:تعتبر مقاومة درجات الحرارة المرتفعة فوق 2300 درجة مئوية والأجواء الكيميائية أمرًا بالغ الأهمية. إن العيوب مثل الثقوب والشقوق وحدود الحبيبات البلورية المفردة تكون عرضة لتسلل الغاز المسببة للتآكل، مما يؤدي إلى فشل الطلاء.

مقاومة الأكسدة:تاكيبدأ التأكسد عند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية، مكونًا Ta2O5. ويزداد معدل الأكسدة مع درجة الحرارة وتركيز الأكسجين، بدءاً من حدود الحبوب والحبيبات الصغيرة، مما يؤدي إلى تدهور كبير في الطلاء وتشظي في نهاية المطاف.

التوحيد والخشونة: يمكن أن يؤدي التوزيع غير المتناسق للطلاء إلى إجهاد حراري موضعي، مما يزيد من خطر التشقق والتشظي. تؤثر خشونة السطح على التفاعلات مع البيئة الخارجية، حيث تؤدي زيادة الخشونة إلى زيادة الاحتكاك وعدم تساوي المجالات الحرارية.

حجم الحبوب:يعزز حجم الحبوب الموحد ثبات الطلاء، في حين أن الحبوب الصغيرة تكون عرضة للأكسدة والتآكل، مما يؤدي إلى زيادة المسامية وتقليل الحماية. يمكن أن تسبب الحبوب الأكبر حجمًا التشظي الناجم عن الإجهاد الحراري.

3. الاستنتاج والتوقعات

تتمتع مكونات الجرافيت المطلية بـ TaC بطلب كبير في السوق وآفاق تطبيق واسعة. الإنتاج السائد لطلاءات تاكيعتمد حاليًا على مكونات CVD TaC، لكن التكلفة العالية وكفاءة الترسيب المحدودة لمعدات CVD لم تحل بعد محل مواد الجرافيت التقليدية المطلية بـ SiC. يمكن أن تؤدي طرق التلبيد إلى تقليل تكاليف المواد الخام بشكل فعال واستيعاب أشكال الجرافيت المعقدة، مما يلبي احتياجات التطبيقات المتنوعة. لقد أصبحت شركات مثل AFTech وCGT Carbon GmbH وToyo Tanso ناضجةطلاء تاكالعمليات والسيطرة على السوق.

وفي الصين تطورمكونات الجرافيت المطلية بـ تاكلا تزال في مراحل التصنيع التجريبية والمبكرة. لتطوير الصناعة، وتحسين طرق التحضير الحالية، واستكشاف عمليات طلاء TaC جديدة عالية الجودة، والفهمطلاء تاكتعتبر آليات الحماية وأنماط الفشل ضرورية. توسيعتطبيقات طلاء تاكيتطلب الابتكار المستمر من المؤسسات البحثية والشركات. ومع نمو سوق أشباه الموصلات من الجيل الثالث المحلي، سيزداد الطلب على الطلاءات عالية الأداء، مما يجعل البدائل المحلية هي اتجاه الصناعة المستقبلي.**