中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日,恒普科技在官微推出一種全新的SiC晶體生長(zhǎng)熱場(chǎng)材料——多孔碳化鉭,據(jù)介紹該材料有利于晶體生長(zhǎng)過程中對(duì)缺陷的控制。
碳化鉭是一種怎樣的材料?
碳化鉭(TaC)是一種超高溫陶瓷材料,所謂超高溫陶瓷(UHTCs)通常指熔點(diǎn)超過3000℃,并在2000℃以上的高溫及腐蝕環(huán)境中(如氧原子環(huán)境)使用的一類陶瓷材料,如ZrC、HfC、TaC、HfB2、ZrB2、HfN等。
TaC性質(zhì)
碳化鉭熔點(diǎn)高達(dá)3880℃,具有高硬度(莫氏硬度9~10)、較大的導(dǎo)熱系數(shù)(22W·m-1·K-1)、較大的抗彎強(qiáng)度(340~400MPa),以及較小的熱膨脹系數(shù)(6.6×10-6K-1),并展現(xiàn)出優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能,與石墨及C/C復(fù)合材料具有良好的化學(xué)相容性和力學(xué)相容性,因此TaC涂層被廣泛應(yīng)用于航空航天熱防護(hù)、單晶生長(zhǎng)、能源電子,以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備
目前,以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體是面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求的戰(zhàn)略性行業(yè)。同時(shí)碳化硅半導(dǎo)體又是一個(gè)工藝復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求極高的行業(yè),其中,碳化硅單晶制備是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最基礎(chǔ)也是最重要環(huán)節(jié)。
目前SiC晶體生長(zhǎng)最常用的方法是物理氣相傳輸法(PVT法),PVT法通過感應(yīng)加熱的方式在密閉生長(zhǎng)腔室內(nèi)在2300°C以上高溫、接近真空的低壓下加熱碳化硅粉料,使其升華產(chǎn)生包含Si、Si2C、SiC2等不同氣相組分的反應(yīng)氣體,通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源,在生長(zhǎng)腔室頂部設(shè)置碳化硅籽晶(種子),輸運(yùn)至籽晶處的氣相組分在氣相組分過飽和度的驅(qū)動(dòng)下在籽晶表面原子沉積,生長(zhǎng)為碳化硅單晶。
該過程生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、控制難度大,易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷。對(duì)于缺陷的控制,爐內(nèi)熱場(chǎng)微小的調(diào)整或漂移,都會(huì)帶來晶體的變化或缺陷的增加。后期更要面臨“長(zhǎng)快、長(zhǎng)厚、長(zhǎng)大”的挑戰(zhàn),除了理論和工程的提高外,還需要更先進(jìn)的熱場(chǎng)材料作為支撐。
熱場(chǎng)中坩堝的材料主要有石墨、多孔石墨,但是,石墨在高溫下遇氧易被氧化,而且會(huì)被熔融金屬等腐蝕。TaC具有優(yōu)良的熱化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理性能,且與石墨具有良好的化學(xué)相容性和力學(xué)相容性,在石墨表面制備TaC涂層,可以有效增強(qiáng)其抗氧化、抗腐蝕、耐磨及力學(xué)性能等。尤其適用于MOCVD設(shè)備生長(zhǎng)GaN或AlN單晶和PVT設(shè)備生長(zhǎng)SiC單晶,所生長(zhǎng)的單晶質(zhì)量得到明顯提高。
圖片圖片來源:恒普科技
此外,碳化硅單晶制備過程中,通過固-氣反應(yīng)產(chǎn)生碳化硅單晶反應(yīng)源后,Si/C化學(xué)計(jì)量比隨熱場(chǎng)分布存在差異,需要使氣相組分按照設(shè)計(jì)的熱場(chǎng)和溫梯進(jìn)行分布和傳輸,多孔石墨的透氣率不夠,需要額外開孔來增加透氣率,而透氣率大的多孔石墨,面臨加工、掉粉、蝕刻等挑戰(zhàn)。多孔碳化鉭陶瓷可更好的實(shí)現(xiàn)氣相組元過濾,調(diào)整局部溫度梯度,引導(dǎo)物質(zhì)流方向,控制泄漏等。
圖片來源:恒普科技
由于TaC涂層對(duì)H2,HCl,NH3具有優(yōu)異的耐酸堿性,在碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中,TaC還可在MOCVD等外延處理過程中完全保護(hù)石墨基體材料,凈化生長(zhǎng)環(huán)境。
在航空航天中的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代飛行器如航空航天器、火箭、導(dǎo)彈向著高速、高推力、高空的方向發(fā)展,對(duì)其表面材料在極端條件下的耐高溫性和抗氧化性要求也越來越高。飛行器進(jìn)入大氣層時(shí)面臨著熱流密度高、駐點(diǎn)壓力大和氣流沖刷速度快等極端環(huán)境,同時(shí)面臨著與氧氣、水蒸氣和二氧化碳反應(yīng)而產(chǎn)生的化學(xué)燒蝕。在飛行器飛出和飛入大氣層時(shí),其頭錐和機(jī)翼周圍的空氣會(huì)受到劇烈壓縮而與飛行器表面產(chǎn)生較大的摩擦,導(dǎo)致其表面受氣流流動(dòng)加熱。飛行器表面除了在飛行過程中受氣動(dòng)加熱外,還會(huì)在飛行過程中受到太陽輻射、環(huán)境輻射等的影響,使飛行器的表面溫度不斷升高,這一變化會(huì)嚴(yán)重影響飛行器的服役狀況。
TaC是耐超高溫陶瓷家族的一員,高的熔點(diǎn)和出色的熱力學(xué)穩(wěn)定性使TaC廣泛應(yīng)用于飛行器熱端部位,例如可以對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的表面涂層起到保護(hù)作用。
其他應(yīng)用
TaC還在切削工具、研磨材料、電子材料以及催化劑等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。例如,將TaC添加在硬質(zhì)合金中可以阻止硬質(zhì)合金的晶粒生長(zhǎng),提高硬質(zhì)合金的硬度,改善其使用壽命;TaC具有良好的導(dǎo)電性,并且可以組成非化學(xué)計(jì)量化合物,導(dǎo)電性隨組分不同而產(chǎn)生變化,這種特性使TaC在電子材料領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景;在TaC的催化脫氫方面,有研究者對(duì)TiC、TaC的催化性能研究表明,在較低溫度下,TaC基本沒有催化活性,但在高于1000℃時(shí),其催化活性明顯升高。對(duì)于CO的催化性能方面的研究發(fā)現(xiàn),300℃時(shí)TaC的催化產(chǎn)物有甲烷、水以及少量的烯烴。
參考來源:
[1]劉興亮等.基于碳化鉭涂層改性碳基材料的研究進(jìn)展
[2]張麗等.高溫化學(xué)氣相沉積法制備致密碳化鉭涂層
[3]爨炳辰等.碳化鉭陶瓷材料制備方法的研究進(jìn)展
[4]劉丹丹等.超高溫陶瓷涂層的研究進(jìn)展
[5]天岳先進(jìn)招股說明書
[6]恒普科技
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川)
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