3세대-와이드 밴드갭 반도체 소재인 SiC(실리콘 카바이드)는 고온, 고주파-, 고전력 장치에서 중요한 역할을 합니다.- PVT(물리적 증기 수송) 방법은 고품질- SiC 단결정을 성장시키는 주요 기술입니다. 그러나 폐쇄된 고온-온도 환경에서는 흑연 도가니의 내식성과 열장 균일성에 대한 엄격한 요구 사항이 적용됩니다. 높은 융점, 우수한 열전도성, 뛰어난 내식성으로 알려진 탄탈륨 카바이드(TaC) 코팅은 도가니 수명 연장과 결정 품질 향상을 위한 핵심 소재가 되었습니다.
흑연 도가니는 2200도를 초과하는 고온 환경에서 산화 및 부식되기 쉽기 때문에 수명이 짧아집니다. CO2 및 SiO2와 같은 부식 부산물-은 결정을 오염시켜 마이크로파이프 및 전위와 같은 결함을 유발하는 탄소 또는 실리콘 함유물을 형성하여 결정 품질을 크게 저하시킬 수 있습니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 연구자들은 TaC가 높은 융점(~3880도), 강한 열 전도성(22W/m·K) 및 내식성으로 인해 매우 유망한 코팅 재료로 확인했습니다.
2010년 이전에는 TaC 코팅은 제조 공정의 어려움과 TaC와 흑연 기판 사이의 열팽창 계수 불일치로 인한 균열로 인해 SiC 결정 성장에 널리 사용되지 않았습니다. 코팅 준비 방법에 대한 집중적인 연구를 통해{2}}특히 2010년 이후-연구원들은 화학 기상 증착(CVD) 및 용융염 반응 방법을 사용하여 흑연 표면에 고품질 TaC 코팅을 성공적으로 증착했습니다. 2020년부터 TaC 코팅은 산업적 응용에 들어갔습니다. PVT 환경에서 흑연 산화를 크게 억제하는 능력 덕분에 TaC 코팅은 코팅되지 않은 흑연 도가니보다 도가니 수명을 3배 이상 연장합니다. 실험에 따르면 2200도에서 500시간 연속 사용 후 TaC- 코팅 흑연 도가니는 표면에 마이크론 규모의 부식 구멍만 나타나는 반면 코팅되지 않은 흑연은 심하게 탄화되는 것으로 나타났습니다.
TaC 코팅을 제조하는 주요 방법에는 현장 반응, 슬러리 소결, 플라즈마 분사 및 화학 기상 증착이 포함됩니다.-
현장 반응 방식: 금속 탄탈륨 분말과 탄소 재료를 원료로 사용합니다. 고체-반응을 통해 탄탈륨과 탄소가 탄소 재료 표면에 직접 결합하여 TaC 코팅을 형성합니다.
슬러리 소결법 : 코팅분말을 용제 및 첨가제와 균일하게 혼합하여 안정적인 현탁 슬러리를 형성하고 이를 기판 표면에 균일하게 도포한 후 건조시킨 후 고온에서 소결하여 TaC 코팅을 제조합니다. 이 방법을 사용하면 입자 크기가 10~50μm이고 코팅 두께가 약 100μm인 조밀하고 균열이 없는 TaC 코팅이 생성됩니다.{1}} 입자 성장은 관통 균열의 형성을 피하면서 선호되는 방향을 나타내지 않습니다.
플라즈마 분사 방식: 코팅 재료를 고온에서 녹인 후 고속-분사에 의해 미세한 물방울 또는 고온 입자로 원자화한 후 전처리된 기판 표면에 분사하여 코팅을 형성합니다.
화학 기상 증착(CVD): 핵심 메커니즘은 고온 반응 챔버 내부의 여러 물리화학적 단계-전구체 열분해, 기상-확산, 계면 반응 및 표면 증착-을 포함하여-결국 기판 표면에 조밀한 기능성 코팅을 형성합니다.