단결정로에 TaC 코팅 흑연 부품 적용

적용TaC 코팅 흑연 부품단결정로에서

1 부

물리적 증기 수송(PVT) 방법을 사용하는 SiC 및 AlN 단결정 성장에서는 도가니, 시드 홀더, 가이드 링과 같은 중요한 구성 요소가 중요한 역할을 합니다. 그림 2[1]에 표시된 것처럼 PVT 공정 중에 종자 결정은 더 낮은 온도 영역에 위치하는 반면 SiC 원료는 더 높은 온도(2400℃ 이상)에 노출됩니다. 이로 인해 원료가 분해되어 SiXCy 화합물(주로 Si, SiC², Si²C 등 포함)이 생성됩니다. 이후 기상 물질은 고온 영역에서 저온 영역의 종결정으로 이동하여 종핵 형성, 결정 성장 및 단결정 생성이 발생합니다. 따라서 이 공정에 사용되는 도가니, 유동 가이드 링, 종자정 홀더와 같은 열장 재료는 SiC 원료와 단결정을 오염시키지 않고 고온 저항을 나타내야 합니다. 마찬가지로, AlN 결정 성장에 사용되는 발열체는 Al 증기 및 N2 부식을 견뎌야 하며, 결정 준비 시간을 줄이기 위해 높은 공융 온도(AlN 포함)도 보유해야 합니다.

SiC[2-5] 및 AlN[2-3]을 제조하기 위해 TaC 코팅 흑연 열장 재료를 활용하면 탄소(산소, 질소) 및 기타 불순물이 최소화된 보다 깨끗한 제품이 생성되는 것으로 관찰되었습니다. 이러한 재료는 각 영역에서 가장자리 결함이 적고 저항률이 낮습니다. 또한, KOH 에칭 후 미세 기공 및 에칭 피트의 밀도가 크게 감소하여 결정 품질이 크게 향상됩니다. 또한, TaC 도가니는 중량 손실이 거의 없고, 비파괴적인 외관을 유지하며, 재활용이 가능(최대 200시간 수명)하여 단결정 준비 공정의 지속 가능성과 효율성을 향상시킵니다.

무화과. 2. (a) PVT 공법에 의한 SiC 단결정 잉곳성장 장치의 모식도

(b) 상부 TaC 코팅 시드 브래킷(SiC 시드 포함)

(c) TAC 코팅 흑연 가이드 링

MOCVD GaN 에피택시층 성장 히터

2 부

유기 금속 분해 반응을 통한 박막의 증기 에피택셜 성장에 중요한 기술인 MOCVD(금속-유기 화학 기상 증착) GaN 성장 분야에서 히터는 반응 챔버 내에서 정밀한 온도 제어와 균일성을 달성하는 데 중요한 역할을 합니다. 그림 3(a)에서 볼 수 있듯이 히터는 MOCVD 장비의 핵심 부품으로 간주된다. 장기간(반복적인 냉각 주기 포함) 기판을 빠르고 균일하게 가열하고, 고온을 견디며(가스 부식 방지) 필름 순도를 유지하는 능력은 필름 증착 품질, 두께 일관성 및 칩 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

MOCVD GaN 성장 시스템에서 히터의 성능과 재활용 효율성을 향상시키기 위해 TaC 코팅 흑연 히터의 도입이 성공적이었습니다. pBN(열분해 질화붕소) 코팅을 사용하는 기존 히터와 달리 TaC 히터를 사용하여 성장한 GaN 에피층은 거의 동일한 결정 구조, 두께 균일성, 고유 결함 형성, 불순물 도핑 및 오염 수준을 나타냅니다. 또한, TaC 코팅은 낮은 저항률과 낮은 표면 방사율을 나타내어 히터 효율과 균일성이 향상되어 전력 소모와 열 손실이 줄어듭니다. 공정 매개변수를 제어함으로써 코팅의 다공성을 조정하여 히터의 복사 특성을 더욱 향상시키고 수명을 연장할 수 있습니다[5]. 이러한 장점은 TaC 코팅 흑연 히터가 MOCVD GaN 성장 시스템을 위한 탁월한 선택임을 입증합니다.

무화과. 3. (a) GaN 에피택셜 성장을 위한 MOCVD 장치의 개략도

(b) 베이스와 브래킷을 제외하고 MOCVD 설정에 설치된 성형 TAC 코팅 흑연 히터(가열 중인 베이스와 브래킷을 보여주는 그림)

(c) 17 GaN 에피택셜 성장 후 TAC 코팅 흑연 히터. 

에피택시용 코팅 서셉터(웨이퍼 캐리어)

파트/3

SiC, AlN, GaN 등 3종 반도체 웨이퍼 제조에 사용되는 중요한 구조 부품인 웨이퍼 캐리어는 에피택셜 웨이퍼 성장 공정에서 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 흑연으로 만들어진 웨이퍼 캐리어는 SiC로 코팅되어 1100~1600°C의 에피택셜 온도 범위 내에서 공정 가스로 인한 부식을 방지합니다. 보호 코팅의 내식성은 웨이퍼 캐리어의 수명에 큰 영향을 미칩니다. 실험 결과, TaC는 고온 암모니아에 노출되었을 때 SiC보다 부식 속도가 약 6배 느린 것으로 나타났습니다. 고온 수소 환경에서 TaC의 부식 속도는 SiC보다 10배 이상 느립니다.

실험적 증거에 따르면 TaC로 코팅된 트레이는 불순물 도입 없이 청색광 GaN MOCVD 공정에서 우수한 호환성을 나타냅니다. 제한된 공정 조정으로 TaC 캐리어를 사용하여 성장한 LED는 기존 SiC 캐리어를 사용하여 성장한 LED와 비슷한 성능과 균일성을 보여줍니다. 결과적으로, TaC 코팅 웨이퍼 캐리어의 수명은 코팅되지 않은 웨이퍼 캐리어와 SiC 코팅된 흑연 캐리어의 수명을 능가합니다.

수치. GaN 에피택셜 성장 MOCVD 장치(Veeco P75)에 사용된 후의 웨이퍼 트레이. 왼쪽은 TaC 코팅, 오른쪽은 SiC 코팅입니다.

공통의 제조방법TaC 코팅 흑연 부품

1 부

CVD(화학적 기상 증착) 방법:

900-2300℃에서 TaCl5 및 CnHm을 탄탈륨 및 탄소 소스로 사용하고 H2를 환원 분위기로 사용하고 Ar2를 캐리어 가스로 사용하여 반응 증착 필름을 사용합니다. 준비된 코팅은 치밀하고 균일하며 순도가 높습니다. 그러나 공정이 복잡하고, 비용이 비싸며, 기류 조절이 어렵고, 증착 효율이 낮은 등의 문제가 있다.

2 부

슬러리 소결 방법:

탄소원, 탄탈륨원, 분산제, 바인더를 함유한 슬러리를 흑연 위에 코팅하고 건조 후 고온에서 소결합니다. 준비된 코팅은 규칙적인 배향 없이 성장하며, 비용이 저렴하고 대규모 생산에 적합합니다. 대형 흑연에 균일하고 완전한 코팅을 달성하고 지지 결함을 제거하며 코팅 결합력을 향상시키는 방법은 계속 연구되고 있습니다.

파트/3

플라즈마 분사 방법:

TaC 분말은 고온에서 플라즈마 아크에 의해 용융되고, 고속 제트에 의해 고온의 액적으로 원자화되어 흑연 재료의 표면에 분사됩니다. 비진공 상태에서 산화막 형성이 용이하고 에너지 소모가 크다.

TaC 코팅 흑연 부분 해결 필요

1 부

결속력:

TaC와 탄소재료는 열팽창계수 등의 물리적 성질이 다르고, 코팅 접착력이 낮고, 균열, 기공, 열응력을 피하기 어렵고, 부패물이 함유된 실제 분위기에서 코팅이 벗겨지기 쉽습니다. 상승과 냉각 과정을 반복합니다.

2 부

청정:

TaC 코팅은 고온 조건에서 불순물과 오염을 피하기 위해 초고순도가 필요하며, 풀코팅 표면과 내부의 유리탄소와 고유불순물의 유효 함량 기준 및 특성규명 기준이 합의되어야 한다.

파트/3

안정:

2300℃ 이상의 고온 저항성과 내화학성은 코팅의 안정성을 테스트하는 가장 중요한 지표입니다. 핀홀, 균열, 누락된 모서리 및 단일 방향 결정립 경계는 부식성 가스가 흑연에 침투하여 코팅 보호 실패를 초래하기 쉽습니다.

파트/4

산화 저항:

TaC는 500℃ 이상에서 Ta2O5로 산화되기 시작하며, 온도와 산소 농도가 증가함에 따라 산화 속도가 급격히 증가합니다. 표면 산화는 결정립계와 작은 결정립에서 시작하여 점차적으로 기둥 모양의 결정과 부서진 결정을 형성하여 많은 틈과 구멍이 생기고 코팅이 벗겨질 때까지 산소 침투가 강화됩니다. 생성된 산화물 층은 열전도율이 낮고 외관상 다양한 색상을 나타냅니다.

파트/5

균일성과 거칠기:

코팅 표면이 고르지 않게 분포되면 국부적인 열 응력 집중이 발생하여 균열 및 박리 위험이 높아질 수 있습니다. 또한, 표면 거칠기는 코팅과 외부 환경 사이의 상호 작용에 직접적인 영향을 미치며, 거칠기가 너무 높으면 쉽게 웨이퍼와의 마찰이 증가하고 열장이 고르지 않게 됩니다.

파트/6

입자 크기:

균일한 입자 크기는 코팅의 안정성에 도움이 됩니다. 입자 크기가 작으면 결합이 단단하지 않고 산화 및 부식되기 쉽기 때문에 입자 가장자리에 많은 균열과 구멍이 생겨 코팅의 보호 성능이 저하됩니다. 입자 크기가 너무 크면 상대적으로 거칠고 열 스트레스로 인해 코팅이 벗겨지기 쉽습니다.

결론 및 전망

일반적으로,TaC 코팅 흑연 부품시장에서는 엄청난 수요와 광범위한 응용 전망을 가지고 있으며, 현재TaC 코팅 흑연 부품제조 주류는 CVD TaC 부품에 의존하는 것입니다. 그러나 CVD TaC 생산 장비의 높은 비용과 제한된 증착 효율성으로 인해 기존 SiC 코팅 흑연 재료는 완전히 대체되지 않았습니다. 소결 방법은 원자재 비용을 효과적으로 절감할 수 있고 흑연 부품의 복잡한 모양에 적응할 수 있어 더욱 다양한 응용 시나리오의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.