TaC लेपित ग्रेफाइट घटकों का अनुप्रयोग और विकास चुनौतियाँ

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) वेफर विकास के संदर्भ में, थर्मल क्षेत्र में उपयोग की जाने वाली पारंपरिक ग्रेफाइट सामग्री और कार्बन-कार्बन कंपोजिट को 2300°C (Si, SiC₂, Si₂C) पर जटिल वातावरण का सामना करने में महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। इन सामग्रियों का न केवल जीवनकाल छोटा होता है, जिसके लिए एक से दस भट्ठी चक्रों के बाद विभिन्न भागों के प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है, बल्कि उच्च तापमान पर उर्ध्वपातन और अस्थिरता का भी अनुभव होता है। इससे कार्बन समावेशन और अन्य क्रिस्टल दोषों का निर्माण हो सकता है। औद्योगिक उत्पादन लागत पर विचार करते समय अर्धचालक क्रिस्टल की उच्च गुणवत्ता और स्थिर वृद्धि सुनिश्चित करने के लिए, ग्रेफाइट घटकों पर अल्ट्रा-उच्च तापमान और संक्षारण प्रतिरोधी सिरेमिक कोटिंग तैयार करना आवश्यक है। ये कोटिंग्स ग्रेफाइट भागों के जीवनकाल को बढ़ाती हैं, अशुद्धता प्रवास को रोकती हैं और क्रिस्टल शुद्धता को बढ़ाती हैं। SiC एपिटैक्सियल वृद्धि के दौरान, SiC-लेपित ग्रेफाइट बेस का उपयोग आमतौर पर एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट्स को समर्थन और गर्म करने के लिए किया जाता है। हालाँकि, इन आधारों के जीवनकाल में अभी भी सुधार की आवश्यकता है, और इंटरफेस से SiC जमा को हटाने के लिए उन्हें समय-समय पर सफाई की आवश्यकता होती है। इसकी तुलना में, टैंटलमकार्बाइड (TaC) कोटिंग्ससंक्षारक वातावरण और उच्च तापमान के लिए बेहतर प्रतिरोध प्रदान करते हैं, जिससे वे इष्टतम SiC क्रिस्टल विकास प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक बन जाते हैं।

3880°C के गलनांक के साथ,टीएसीउच्च यांत्रिक शक्ति, कठोरता और थर्मल शॉक प्रतिरोध प्रदर्शित करता है। यह अमोनिया, हाइड्रोजन और सिलिकॉन युक्त वाष्पों से युक्त उच्च तापमान स्थितियों के तहत उत्कृष्ट रासायनिक जड़ता और थर्मल स्थिरता बनाए रखता है। ग्रेफाइट (कार्बन-कार्बन मिश्रित) सामग्री के साथ लेपितटीएसीपारंपरिक उच्च शुद्धता वाले ग्रेफाइट, पीबीएन-लेपित और सीआईसी-लेपित घटकों के प्रतिस्थापन के रूप में अत्यधिक आशाजनक हैं। इसके अतिरिक्त, एयरोस्पेस क्षेत्र में,टीएसीइसमें उच्च तापमान ऑक्सीकरण-प्रतिरोधी और उच्छेदन-प्रतिरोधी कोटिंग के रूप में उपयोग की महत्वपूर्ण क्षमता है, जो व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं प्रदान करता है। हालाँकि, घना, एकसमान और गैर-छीलना प्राप्त करनाटीएसी कोटिंगग्रेफाइट सतहों पर और इसके औद्योगिक पैमाने पर उत्पादन को बढ़ावा देने में कई चुनौतियाँ मौजूद हैं। कोटिंग के सुरक्षात्मक तंत्र को समझना, उत्पादन प्रक्रियाओं को नवीनीकृत करना और शीर्ष अंतरराष्ट्रीय मानकों के साथ प्रतिस्पर्धा करना तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के विकास और एपीटैक्सियल विकास के लिए महत्वपूर्ण है।

निष्कर्ष में, SiC वेफर विकास प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने के लिए TaC लेपित ग्रेफाइट घटकों का विकास और अनुप्रयोग महत्वपूर्ण है। में चुनौतियों का समाधान करनाटीएसी कोटिंगउच्च गुणवत्ता वाले सेमीकंडक्टर क्रिस्टल विकास को सुनिश्चित करने और इसके उपयोग का विस्तार करने के लिए तैयारी और औद्योगीकरण महत्वपूर्ण होगाटीएसी कोटिंग्सविभिन्न उच्च तापमान अनुप्रयोगों में।

1. TaC लेपित ग्रेफाइट घटकों का अनुप्रयोग

(1) क्रूसिबल, बीज क्रिस्टल धारक और प्रवाह ट्यूबSiC और AlN एकल क्रिस्टल की PVT वृद्धि

SiC की तैयारी के लिए भौतिक वाष्प परिवहन (PVT) विधि के दौरान, बीज क्रिस्टल को अपेक्षाकृत कम तापमान वाले क्षेत्र में रखा जाता है, जबकि SiC कच्चे माल को उच्च तापमान वाले क्षेत्र (2400°C से ऊपर) में रखा जाता है। कच्चा माल गैसीय प्रजातियों (SiXCy) का उत्पादन करने के लिए विघटित होता है, जिसे उच्च तापमान क्षेत्र से निम्न तापमान क्षेत्र में ले जाया जाता है जहां बीज क्रिस्टल स्थित होता है। इस प्रक्रिया में, जिसमें एकल क्रिस्टल बनाने के लिए न्यूक्लियेशन और विकास शामिल है, क्रूसिबल, फ्लो रिंग और बीज क्रिस्टल धारकों जैसी ताप क्षेत्र सामग्री की आवश्यकता होती है जो उच्च तापमान के प्रतिरोधी होते हैं और SiC कच्चे माल और क्रिस्टल को दूषित नहीं करते हैं। एएलएन एकल क्रिस्टल विकास के लिए समान आवश्यकताएं मौजूद हैं, जहां हीटिंग तत्वों को एएल वाष्प और एन 2 संक्षारण का विरोध करना चाहिए और क्रिस्टल तैयारी चक्र को छोटा करने के लिए उच्च यूटेक्टिक तापमान होना चाहिए।

अध्ययनों से पता चला है कि उपयोग करनाटीएसी लेपित ग्रेफाइट सामग्रीSiC और AlN की तैयारी के लिए ताप क्षेत्र में कम कार्बन, ऑक्सीजन और नाइट्रोजन अशुद्धियों के साथ स्वच्छ क्रिस्टल बनते हैं। किनारे के दोष कम हो जाते हैं, और विभिन्न क्षेत्रों में प्रतिरोधकता काफी कम हो जाती है, साथ ही माइक्रोपोर और ईच पिट घनत्व भी कम हो जाता है, जिससे क्रिस्टल की गुणवत्ता में काफी वृद्धि होती है। इसके अलावा,टीएसीक्रूसिबल नगण्य वजन घटाने और कोई क्षति नहीं दिखाता है, जिससे पुन: उपयोग (200 घंटे तक के जीवनकाल के साथ) की अनुमति मिलती है, जिससे एकल क्रिस्टल तैयारी की स्थिरता और दक्षता बढ़ जाती है।

(2) MOCVD GaN एपिटैक्सियल लेयर ग्रोथ में हीटर

MOCVD GaN वृद्धि में पतली फिल्मों को विशेष रूप से विकसित करने के लिए रासायनिक वाष्प जमाव तकनीक का उपयोग करना शामिल है। चैम्बर तापमान की सटीकता और एकरूपता हीटर को एक महत्वपूर्ण घटक बनाती है। इसे लंबे समय तक सब्सट्रेट को लगातार और समान रूप से गर्म करना चाहिए और संक्षारक गैसों के तहत उच्च तापमान पर स्थिरता बनाए रखनी चाहिए।

MOCVD GaN सिस्टम हीटर के प्रदर्शन और पुनर्चक्रण क्षमता में सुधार करने के लिए,टीएसी लेपित ग्रेफाइटहीटर सफलतापूर्वक पेश किए गए हैं। पीबीएन कोटिंग वाले पारंपरिक हीटरों की तुलना में, टीएसी हीटर क्रिस्टल संरचना, मोटाई एकरूपता, आंतरिक दोष, अशुद्धता डोपिंग और संदूषण स्तर में तुलनीय प्रदर्शन दिखाते हैं। की कम प्रतिरोधकता और सतह उत्सर्जनटीएसी कोटिंगहीटर की दक्षता और एकरूपता को बढ़ाएं, ऊर्जा की खपत और गर्मी अपव्यय को कम करें। कोटिंग की समायोज्य सरंध्रता हीटर की विकिरण विशेषताओं को और बेहतर बनाती है और इसके जीवनकाल को बढ़ाती हैटीएसी लेपित ग्रेफाइटMOCVD GaN ग्रोथ सिस्टम के लिए हीटर एक बेहतर विकल्प है।

चित्र 2. (ए) GaN एपीटैक्सियल वृद्धि के लिए MOCVD उपकरण का योजनाबद्ध आरेख

(बी) आधार और समर्थन को छोड़कर, एमओसीवीडी सेटअप में गठित टीएसी लेपित ग्रेफाइट हीटर स्थापित किया गया है (इनसेट हीटिंग के दौरान आधार और समर्थन दिखाता है)

(सी)GaN एपीटैक्सियल वृद्धि के 17 चक्रों के बाद TaC लेपित ग्रेफाइट हीटर

(3)एपिटैक्सियल कोटिंग ट्रे (वेफर कैरियर)

वेफर वाहक तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर वेफर्स जैसे SiC, AlN और GaN की तैयारी और एपीटैक्सियल वृद्धि में महत्वपूर्ण संरचनात्मक घटक हैं। अधिकांश वेफर वाहक ग्रेफाइट से बने होते हैं और प्रक्रिया गैसों से संक्षारण का विरोध करने के लिए SiC के साथ लेपित होते हैं, जो 1100 से 1600 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा के भीतर काम करते हैं। सुरक्षात्मक कोटिंग की संक्षारण-रोधी क्षमता वाहक के जीवनकाल के लिए महत्वपूर्ण है।

अनुसंधान इंगित करता है कि उच्च तापमान वाले अमोनिया और हाइड्रोजन वातावरण में TaC की संक्षारण दर SiC की तुलना में काफी धीमी है, जिससेटीएसी लेपितट्रे नीली GaN MOCVD प्रक्रियाओं के साथ अधिक अनुकूल हैं और अशुद्धता के परिचय को रोकती हैं। एलईडी का उपयोग करके प्रदर्शन बढ़ाया गयाटीएसी वाहकपारंपरिक SiC वाहकों के साथ तुलनीय हैटीएसी लेपितट्रे बेहतर जीवनकाल का प्रदर्शन करती हैं।

चित्र 3. GaN एपिटैक्सियल विकास के लिए MOCVD उपकरण (Veeco P75) में उपयोग की जाने वाली वेफर ट्रे। बाईं ओर की ट्रे TaC से लेपित है, जबकि दाईं ओर की ट्रे SiC से लेपित है

2. टीएसी लेपित ग्रेफाइट घटकों में चुनौतियाँ

आसंजन:थर्मल विस्तार गुणांक के बीच अंतरटीएसीऔर कार्बन सामग्री के परिणामस्वरूप कोटिंग आसंजन शक्ति कम हो जाती है, जिससे इसमें दरार पड़ने, सरंध्रता और थर्मल तनाव होने का खतरा होता है, जिससे संक्षारक वातावरण और बार-बार तापमान चक्रण के तहत कोटिंग बिखर सकती है।

शुद्धता: टीएसी कोटिंग्सउच्च तापमान पर अशुद्धियाँ उत्पन्न होने से बचने के लिए अति-उच्च शुद्धता बनाए रखनी चाहिए। कोटिंग के भीतर मुक्त कार्बन और आंतरिक अशुद्धियों के मूल्यांकन के लिए मानक स्थापित करने की आवश्यकता है।

स्थिरता:2300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के उच्च तापमान और रासायनिक वातावरण का प्रतिरोध महत्वपूर्ण है। पिनहोल, दरारें और एकल क्रिस्टल अनाज सीमाओं जैसे दोष संक्षारक गैस घुसपैठ के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, जिससे कोटिंग विफलता हो जाती है।

ऑक्सीकरण प्रतिरोध:टीएसी500°C से ऊपर के तापमान पर ऑक्सीकरण शुरू हो जाता है, जिससे Ta2O5 बनता है। ऑक्सीकरण दर तापमान और ऑक्सीजन सांद्रता के साथ बढ़ती है, जो अनाज की सीमाओं और छोटे अनाजों से शुरू होती है, जिससे महत्वपूर्ण कोटिंग क्षरण और अंततः फैलाव होता है।

एकरूपता और खुरदरापन: असंगत कोटिंग वितरण स्थानीय थर्मल तनाव का कारण बन सकता है, जिससे दरार और फैलने का खतरा बढ़ जाता है। सतह का खुरदरापन बाहरी वातावरण के साथ अंतःक्रिया को प्रभावित करता है, अधिक खुरदरापन के कारण घर्षण और असमान तापीय क्षेत्र बढ़ जाते हैं।

अनाज आकार:समान दाने का आकार कोटिंग स्थिरता को बढ़ाता है, जबकि छोटे दानों में ऑक्सीकरण और क्षरण का खतरा होता है, जिससे सरंध्रता बढ़ जाती है और सुरक्षा कम हो जाती है। बड़े दाने तापीय तनाव-प्रेरित फैलाव का कारण बन सकते हैं।

3. निष्कर्ष और आउटलुक

टीएसी लेपित ग्रेफाइट घटकों की बाजार में महत्वपूर्ण मांग और व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। का मुख्य धारा उत्पादनटीएसी कोटिंग्सवर्तमान में सीवीडी टीएसी घटकों पर निर्भर है, लेकिन सीवीडी उपकरण की उच्च लागत और सीमित जमाव दक्षता ने अभी तक पारंपरिक सीआईसी लेपित ग्रेफाइट सामग्री को प्रतिस्थापित नहीं किया है। सिंटरिंग विधियां कच्चे माल की लागत को प्रभावी ढंग से कम कर सकती हैं और विविध अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करते हुए जटिल ग्रेफाइट आकृतियों को समायोजित कर सकती हैं। एएफटेक, सीजीटी कार्बन जीएमबीएच और टोयो टैनसो जैसी कंपनियां परिपक्व हो गई हैंटीएसी कोटिंगप्रक्रियाएं और बाजार पर हावी हैं।

चीन में, का विकासटीएसी लेपित ग्रेफाइट घटकअभी भी अपने प्रायोगिक और प्रारंभिक औद्योगीकरण चरण में है। उद्योग को आगे बढ़ाने के लिए, वर्तमान तैयारी विधियों को अनुकूलित करना, नई उच्च गुणवत्ता वाली टीएसी कोटिंग प्रक्रियाओं की खोज करना और समझनाटीएसी कोटिंगसुरक्षा तंत्र और विफलता मोड आवश्यक हैं। विस्तारटीएसी कोटिंग अनुप्रयोगअनुसंधान संस्थानों और कंपनियों से निरंतर नवाचार की आवश्यकता है। जैसे-जैसे घरेलू तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर बाजार में वृद्धि होगी, उच्च-प्रदर्शन कोटिंग्स की मांग बढ़ेगी, जिससे घरेलू विकल्प भविष्य के उद्योग की प्रवृत्ति बन जाएंगे।**