TaC コーティングされたグラファイト部品の応用と開発の課題

炭化ケイ素 (SiC) ウェーハの成長に関連して、熱分野で使用される従来のグラファイト材料および炭素 - 炭素複合材料は、2300°C の複雑な雰囲気 (Si、SiC₂、Si₂C) に耐えるという重大な課題に直面しています。これらの材料は寿命が短く、1 ～ 10 回の炉サイクル後にさまざまな部品の交換が必要になるだけでなく、高温で昇華や揮発を起こします。これにより、炭素含有物やその他の結晶欠陥が形成される可能性があります。工業生産コストを考慮しながら半導体結晶の高品質で安定した成長を確保するには、グラファイト部品上に超高温および耐腐食性のセラミックコーティングを準備することが不可欠です。これらのコーティングはグラファイト部品の寿命を延ばし、不純物の移動を抑制し、結晶純度を高めます。 SiC エピタキシャル成長中、単結晶基板の支持と加熱には通常、SiC でコーティングされたグラファイト ベースが使用されます。ただし、これらのベースの寿命にはまだ改善の必要があり、界面から SiC 堆積物を除去するために定期的な洗浄が必要です。それに比べて、タンタルは超硬（TaC）コーティング腐食性雰囲気や高温に対する優れた耐性を備えており、最適な SiC 結晶成長を実現するための重要な技術となっています。

融点は3880℃で、TaC高い機械的強度、硬度、耐熱衝撃性を示します。アンモニア、水素、シリコン含有蒸気が関与する高温条件下でも、優れた化学的不活性性と熱安定性を維持します。グラファイト（カーボンカーボン複合材）素材をコーティングTaC従来の高純度グラファイト、pBN コーティング、および SiC コーティングされたコンポーネントの代替品として非常に有望です。また、航空宇宙分野では、TaC高温耐酸化性および耐摩耗性コーティングとして使用できる大きな可能性があり、幅広い用途の可能性をもたらします。しかし、緻密で均一、剥がれにくいを実現。TaCコーティンググラファイト表面の加工とその工業規模での生産の促進には、いくつかの課題があります。コーティングの保護メカニズムを理解し、製造プロセスを革新し、最高の国際規格と競争することは、第 3 世代半導体の成長とエピタキシャル開発にとって重要です。

結論として、TaC コーティングされたグラファイト コンポーネントの開発と応用は、SiC ウェーハ成長技術の進歩にとって重要です。の課題に対処するTaCコーティング高品質の半導体結晶成長を確保し、その利用を拡大するには、準備と工業化が鍵となります。TaCコーティングさまざまな高温用途に使用できます。

1. TaC コーティングされたグラファイト部品の応用

(1) 坩堝、種結晶ホルダー、流管SiC および AlN 単結晶の PVT 成長

SiC 製造のための物理蒸気輸送 (PVT) 法では、種結晶は比較的低温ゾーンに置かれ、一方、SiC 原料は高温ゾーン (2400°C 以上) に置かれます。原料は分解してガス種 (SiXCy) を生成し、これが高温ゾーンから種結晶が存在する低温ゾーンに輸送されます。単結晶を形成するための核生成と成長を含むこのプロセスには、高温に耐性があり、SiC 原料や結晶を汚染しない、るつぼ、フロー リング、種結晶ホルダーなどの熱場材料が必要です。同様の要件が AlN 単結晶の成長にも存在し、加熱要素は Al 蒸気および N2 腐食に耐え、結晶準備サイクルを短縮するために高い共晶温度を備えていなければなりません。

研究によると、TaCコーティングされたグラファイト材料SiC および AlN 製造の熱場での処理により、炭素、酸素、窒素の不純物が少ない、よりきれいな結晶が得られます。エッジの欠陥が最小限に抑えられ、さまざまな領域にわたる抵抗率が大幅に低下するとともに、微細孔とエッチピットの密度が大幅に低減され、結晶の品質が大幅に向上します。さらに、TaC坩堝は重量損失がほとんどなく、損傷がないため、再利用が可能であり（寿命は最大 200 時間）、単結晶調製の持続可能性と効率が向上します。

(2) MOCVD GaN エピタキシャル層成長におけるヒーター

MOCVD GaN 成長には、化学気相成長技術を使用して薄膜をエピタキシャル成長させることが含まれます。チャンバー温度の精度と均一性により、ヒーターは重要なコンポーネントになります。基板を長時間にわたって一貫して均一に加熱し、腐食性ガス下の高温でも安定性を維持する必要があります。

MOCVD GaN システムヒーターの性能とリサイクル性を向上させるために、TaCコーティングされたグラファイトヒーターの導入に成功しました。 pBN コーティングを施した従来のヒーターと比較して、TaC ヒーターは結晶構造、厚さの均一性、固有欠陥、不純物ドーピング、汚染レベルにおいて同等の性能を示します。低い抵抗率と表面放射率により、TaCコーティングヒーターの効率と均一性を高め、エネルギー消費と熱放散を削減します。コーティングの多孔性を調整できるため、ヒーターの放射特性がさらに向上し、寿命が延びます。TaCコーティングされたグラファイトヒーターは MOCVD GaN 成長システムにとって優れた選択肢です。

図2. (a) GaNエピタキシャル成長用MOCVD装置の概略図

(b) MOCVD セットアップに設置された形成された TaC コーティングされたグラファイト ヒーター (ベースとサポートを除く) (挿入図は加熱中のベースとサポートを示しています)

(c)17 サイクルの GaN エピタキシャル成長後の TaC コーティングされたグラファイト ヒーター

(3)エピタキシャルコーティングトレイ（ウエハキャリア）

ウェーハキャリアは、SiC、AlN、GaN などの第 3 世代半導体ウェーハの準備とエピタキシャル成長において重要な構造コンポーネントです。ほとんどのウェハキャリアはグラファイト製で、プロセスガスによる腐食に耐えるために SiC でコーティングされており、1100 ～ 1600°C の温度範囲で動作します。保護コーティングの耐腐食能力は、キャリアの寿命にとって非常に重要です。

研究によると、高温のアンモニアおよび水素環境では、TaC の腐食速度が SiC よりも大幅に遅いことが示されています。TaCコーティングトレイは青色 GaN MOCVD プロセスとの互換性が高く、不純物の導入を防ぎます。を使用して成長した LED パフォーマンスTaCキャリア従来の SiC キャリアと同等であり、TaCコーティングトレイは優れた寿命を示します。

図 3. GaN エピタキシャル成長用の MOCVD 装置 (Veeco P75) で使用されるウェーハ トレイ。左側のトレイは TaC でコーティングされており、右側のトレイは SiC でコーティングされています

2. TaC コーティングされたグラファイトコンポーネントの課題

接着力：熱膨張係数の差は、TaCカーボン材料はコーティングの接着強度が低くなり、亀裂、多孔性、熱応力が発生しやすくなり、腐食性雰囲気や繰り返しの温度サイクル下でコーティングの剥離を引き起こす可能性があります。

純度： TaCコーティング高温での不純物の混入を避けるために、超高純度を維持する必要があります。コーティング内の遊離炭素および固有不純物を評価するための基準を確立する必要があります。

安定性：2300°C を超える高温および化学雰囲気に対する耐性が重要です。ピンホール、クラック、単結晶粒界などの欠陥は腐食性ガスの侵入を受けやすく、コーティングの破損につながります。

耐酸化性:TaC500℃を超える温度で酸化が始まり、Ta2O5 が形成されます。酸化速度は温度と酸素濃度とともに増加し、粒界や小さな粒子から始まり、重大なコーティングの劣化と最終的には剥離につながります。

均一性と粗さ: コーティングの分布が不均一であると、局所的な熱応力が発生し、亀裂や剥離のリスクが増加する可能性があります。表面の粗さは外部環境との相互作用に影響し、粗さが大きくなると摩擦が増大し、熱場が不均一になります。

粒度:均一な粒子サイズはコーティングの安定性を高めますが、粒子が小さいと酸化や腐食が発生しやすくなり、気孔率が増加して保護力が低下します。粒子が大きいと、熱応力による剥離が発生する可能性があります。

3. 結論と展望

TaC コーティングされたグラファイト部品には大きな市場需要があり、幅広い用途の可能性があります。主流の生産は、TaCコーティング現在、CVD TaC コンポーネントに依存していますが、CVD 装置のコストが高く、堆積効率が限られているため、従来の SiC コーティングされたグラファイト材料はまだ置き換えられていません。焼結法は原材料コストを効果的に削減し、複雑なグラファイト形状に対応できるため、多様な用途のニーズに対応できます。 AFTech、CGT Carbon GmbH、Toyo Tanso などの企業は成熟しました。TaCコーティングプロセスを実行し、市場を支配します。

中国では、TaC コーティングされたグラファイト部品はまだ実験段階にあり、工業化の初期段階にあります。業界を進歩させるには、現在の製造方法を最適化し、新しい高品質の TaC コーティングプロセスを探索し、理解する必要があります。TaCコーティング保護メカニズムと障害モードは不可欠です。拡大するTaCコーティングの用途研究機関や企業の継続的なイノベーションが必要です。国内の第 3 世代半導体市場が成長するにつれて、高性能コーティングの需要が増加し、国内の代替品が将来の業界のトレンドになるでしょう。**