Tantangan Penerapan dan Pengembangan Komponen Grafit Berlapis TaC

Dalam konteks pertumbuhan wafer Silikon Karbida (SiC), bahan grafit tradisional dan komposit karbon-karbon yang digunakan dalam bidang termal menghadapi tantangan yang signifikan dalam menahan atmosfer kompleks pada 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C). Bahan-bahan ini tidak hanya memiliki umur yang pendek, memerlukan penggantian komponen yang berbeda setelah satu hingga sepuluh siklus tungku, tetapi juga mengalami sublimasi dan penguapan pada suhu tinggi. Hal ini dapat menyebabkan pembentukan inklusi karbon dan cacat kristal lainnya. Untuk memastikan pertumbuhan kristal semikonduktor yang berkualitas tinggi dan stabil sambil mempertimbangkan biaya produksi industri, penting untuk menyiapkan lapisan keramik bersuhu sangat tinggi dan tahan korosi pada komponen grafit. Lapisan ini memperpanjang umur komponen grafit, menghambat migrasi pengotor, dan meningkatkan kemurnian kristal. Selama pertumbuhan epitaksi SiC, basis grafit berlapis SiC biasanya digunakan untuk mendukung dan memanaskan substrat kristal tunggal. Namun, umur pangkalan ini masih perlu ditingkatkan, dan memerlukan pembersihan berkala untuk menghilangkan endapan SiC dari antarmuka. Sebagai perbandingan, TantalumPelapis karbida (TaC).menawarkan ketahanan unggul terhadap atmosfer korosif dan suhu tinggi, menjadikannya teknologi penting untuk mencapai pertumbuhan kristal SiC yang optimal.

Dengan titik leleh 3880°C,TaCmenunjukkan kekuatan mekanik, kekerasan, dan ketahanan guncangan termal yang tinggi. Ia mempertahankan kelembaman kimia dan stabilitas termal yang sangat baik di bawah kondisi suhu tinggi yang melibatkan uap yang mengandung amonia, hidrogen, dan silikon. Bahan grafit (komposit karbon-karbon) dilapisi denganTaCsangat menjanjikan sebagai pengganti komponen grafit tradisional dengan kemurnian tinggi, berlapis pBN, dan berlapis SiC. Selain itu, di bidang kedirgantaraan,TaCmemiliki potensi signifikan untuk digunakan sebagai pelapis tahan oksidasi dan ablasi suhu tinggi, sehingga menawarkan prospek penerapan yang luas. Namun mencapai hasil yang padat, seragam, dan tidak terkelupaslapisan TaCpada permukaan grafit dan mendorong produksi skala industri menghadirkan beberapa tantangan. Memahami mekanisme perlindungan lapisan, menginovasi proses produksi, dan bersaing dengan standar internasional terbaik sangat penting untuk pertumbuhan dan pengembangan semikonduktor generasi ketiga.

Kesimpulannya, pengembangan dan penerapan komponen grafit berlapis TaC sangat penting untuk memajukan teknologi pertumbuhan wafer SiC. Mengatasi tantangan dilapisan TaCpersiapan dan industrialisasi akan menjadi kunci untuk memastikan pertumbuhan kristal semikonduktor berkualitas tinggi dan memperluas penggunaannyapelapis TaCdalam berbagai aplikasi suhu tinggi.

1. Penerapan Komponen Grafit Dilapisi TaC

(1) Wadah, wadah kristal benih, dan tabung aliran masukPertumbuhan PVT Kristal Tunggal SiC dan AlN

Selama metode transportasi uap fisik (PVT) untuk persiapan SiC, kristal benih ditempatkan di zona suhu yang relatif rendah sedangkan bahan baku SiC berada di zona suhu tinggi (di atas 2400°C). Bahan mentah terurai menghasilkan spesies gas (SiXCy), yang diangkut dari zona suhu tinggi ke zona suhu rendah tempat benih kristal berada. Proses ini, yang meliputi nukleasi dan pertumbuhan membentuk kristal tunggal, memerlukan bahan medan panas seperti cawan lebur, cincin aliran, dan penahan kristal benih yang tahan terhadap suhu tinggi dan tidak mencemari bahan baku SiC dan kristal. Persyaratan serupa juga berlaku untuk pertumbuhan kristal tunggal AlN, di mana elemen pemanas harus tahan terhadap korosi uap Al dan N2 serta memiliki suhu eutektik yang tinggi untuk memperpendek siklus persiapan kristal.

Penelitian telah menunjukkan bahwa menggunakanBahan grafit berlapis TaCdi bidang panas untuk persiapan SiC dan AlN menghasilkan kristal yang lebih bersih dengan lebih sedikit pengotor karbon, oksigen, dan nitrogen. Cacat tepi diminimalkan, dan resistivitas di berbagai wilayah berkurang secara signifikan, seiring dengan kepadatan mikropori dan lubang etsa, sehingga sangat meningkatkan kualitas kristal. Selain itu,TaCwadah menunjukkan penurunan berat yang dapat diabaikan dan tidak ada kerusakan, memungkinkan untuk digunakan kembali (dengan masa pakai hingga 200 jam), meningkatkan keberlanjutan dan efisiensi persiapan kristal tunggal.

(2) Pemanas dalam Pertumbuhan Lapisan Epitaxial MOCVD GaN

Pertumbuhan MOCVD GaN melibatkan penggunaan teknologi deposisi uap kimia untuk menumbuhkan film tipis secara epitaksi. Ketepatan dan keseragaman suhu ruangan menjadikan heater sebagai komponen yang krusial. Ini harus memanaskan substrat secara konsisten dan seragam dalam jangka waktu lama dan menjaga stabilitas pada suhu tinggi di bawah gas korosif.

Untuk meningkatkan kinerja dan daur ulang pemanas sistem MOCVD GaN,Grafit berlapis TaCpemanas telah berhasil diperkenalkan. Dibandingkan dengan pemanas tradisional dengan lapisan pBN, pemanas TaC menunjukkan kinerja yang sebanding dalam struktur kristal, keseragaman ketebalan, cacat intrinsik, doping pengotor, dan tingkat kontaminasi. Resistivitas dan emisivitas permukaan yang rendahlapisan TaCmeningkatkan efisiensi dan keseragaman pemanas, mengurangi konsumsi energi dan pembuangan panas. Porositas lapisan yang dapat disesuaikan semakin meningkatkan karakteristik radiasi pemanas dan memperpanjang masa pakainyaGrafit berlapis TaCpemanas pilihan unggul untuk sistem pertumbuhan MOCVD GaN.

Gambar 2. (a) Diagram skema peralatan MOCVD untuk pertumbuhan epitaksi GaN

(b) Pemanas grafit berlapis TaC yang dipasang di pengaturan MOCVD, tidak termasuk alas dan penyangga (sisipan menunjukkan alas dan penyangga selama pemanasan)

(C)Pemanas grafit berlapis TaC setelah 17 siklus pertumbuhan epitaksi GaN

(3)Baki Pelapis Epitaxial (Pembawa Wafer)

Pembawa wafer adalah komponen struktural penting dalam persiapan dan pertumbuhan epitaksi wafer semikonduktor generasi ketiga seperti SiC, AlN, dan GaN. Kebanyakan pembawa wafer terbuat dari grafit dan dilapisi dengan SiC untuk menahan korosi dari gas proses, beroperasi dalam kisaran suhu 1100 hingga 1600°C. Kemampuan anti-korosi pada lapisan pelindung sangat penting untuk masa pakai kapal induk.

Penelitian menunjukkan bahwa laju korosi TaC secara signifikan lebih lambat dibandingkan SiC di lingkungan amonia dan hidrogen bersuhu tinggidilapisi TaCbaki lebih kompatibel dengan proses GaN MOCVD biru dan mencegah masuknya pengotor. Kinerja LED meningkat dengan menggunakanoperator TaCsebanding dengan operator SiC tradisional, dengandilapisi TaCnampan menunjukkan masa pakai yang unggul.

Gambar 3. Baki wafer yang digunakan dalam peralatan MOCVD (Veeco P75) untuk pertumbuhan epitaksi GaN. Baki sebelah kiri dilapisi TaC, sedangkan baki sebelah kanan dilapisi SiC

2. Tantangan dalam Komponen Grafit Berlapis TaC

Adhesi:Perbedaan koefisien muai panas antaraTaCdan bahan karbon menghasilkan kekuatan adhesi lapisan yang rendah, sehingga rentan terhadap retak, porositas, dan tekanan termal, yang dapat menyebabkan keropos lapisan di bawah atmosfer korosif dan siklus suhu yang berulang.

Kemurnian: pelapis TaCharus menjaga kemurnian sangat tinggi untuk menghindari masuknya kotoran pada suhu tinggi. Standar untuk mengevaluasi karbon bebas dan pengotor intrinsik dalam lapisan perlu ditetapkan.

Stabilitas:Ketahanan terhadap suhu tinggi di atas 2300°C dan atmosfer kimia sangat penting. Cacat seperti lubang kecil, retakan, dan batas butir kristal tunggal rentan terhadap infiltrasi gas korosif, yang menyebabkan kegagalan pelapisan.

Resistensi Oksidasi:TaCmulai teroksidasi pada suhu di atas 500°C, membentuk Ta2O5. Laju oksidasi meningkat seiring suhu dan konsentrasi oksigen, mulai dari batas butir dan butiran kecil, menyebabkan degradasi lapisan yang signifikan dan akhirnya terjadi spallasi.

Keseragaman dan Kekasaran: Distribusi lapisan yang tidak konsisten dapat menyebabkan tekanan termal lokal, sehingga meningkatkan risiko retak dan keropos. Kekasaran permukaan mempengaruhi interaksi dengan lingkungan luar, dengan kekasaran yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan gesekan dan medan panas yang tidak merata.

Ukuran butir:Ukuran butiran yang seragam meningkatkan stabilitas lapisan, sedangkan butiran yang lebih kecil rentan terhadap oksidasi dan korosi, yang menyebabkan peningkatan porositas dan berkurangnya perlindungan. Butiran yang lebih besar dapat menyebabkan spalasi yang disebabkan oleh tekanan termal.

3. Kesimpulan dan Pandangan

Komponen grafit berlapis TaC memiliki permintaan pasar yang signifikan dan prospek aplikasi yang luas. Produksi utama daripelapis TaCsaat ini bergantung pada komponen CVD TaC, namun biaya tinggi dan efisiensi deposisi peralatan CVD yang terbatas belum menggantikan bahan grafit berlapis SiC tradisional. Metode sintering dapat secara efektif mengurangi biaya bahan baku dan mengakomodasi bentuk grafit yang kompleks, sehingga memenuhi beragam kebutuhan aplikasi. Perusahaan seperti AFTech, CGT Carbon GmbH, dan Toyo Tanso sudah matanglapisan TaCproses dan mendominasi pasar.

Di Cina, perkembanganKomponen grafit berlapis TaCmasih dalam tahap eksperimental dan industrialisasi awal. Untuk memajukan industri, mengoptimalkan metode persiapan saat ini, mengeksplorasi proses pelapisan TaC baru yang berkualitas tinggi, dan pemahamanlapisan TaCmekanisme perlindungan dan mode kegagalan sangat penting. MemperluasAplikasi pelapisan TaCmembutuhkan inovasi berkelanjutan dari lembaga penelitian dan perusahaan. Seiring pertumbuhan pasar semikonduktor generasi ketiga dalam negeri, permintaan akan pelapis berkinerja tinggi akan meningkat, menjadikan alternatif dalam negeri sebagai tren industri di masa depan.**