Als halfgeleidermateriaal met een brede-bandgap van de derde-generatie speelt siliciumcarbide (SiC) een cruciale rol in apparaten met hoge- temperatuur, hoge- frequentie en hoog-vermogen. De fysieke damptransportmethode (PVT) is de dominante techniek voor het kweken van hoogwaardige SiC-monokristallen. De gesloten omgeving met hoge- temperaturen stelt echter strenge eisen aan de corrosieweerstand en de uniformiteit van het thermische veld van grafietkroezen. Tantaalcarbide (TaC) coatings, bekend om hun hoge smeltpunt, uitstekende thermische geleidbaarheid en uitstekende corrosieweerstand, zijn een belangrijk materiaal geworden voor het verlengen van de levensduur van smeltkroezen en het verbeteren van de kristalkwaliteit.
Grafietkroezen zijn gevoelig voor oxidatie en corrosie in omgevingen met hoge- temperaturen boven de 2200 graden, wat leidt tot een korte levensduur. Corrosie door-producten zoals CO₂ en SiO₂ kunnen de kristallen vervuilen, waarbij koolstof- of siliciuminsluitsels worden gevormd die defecten zoals micropijpjes en dislocaties veroorzaken, waardoor de kristalkwaliteit aanzienlijk wordt aangetast. Om deze uitdaging aan te pakken, hebben onderzoekers TaC geïdentificeerd als een veelbelovend coatingmateriaal vanwege het hoge smeltpunt (~3880 graden), de sterke thermische geleidbaarheid (22 W/m·K) en de corrosieweerstand.
Vóór 2010 werden TaC-coatings niet op grote schaal gebruikt bij de groei van SiC-kristallen vanwege uitdagingen in de fabricageprocessen en scheuren veroorzaakt door de discrepantie in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen TaC en het grafietsubstraat. Dankzij intensief onderzoek naar methoden voor de voorbereiding van coatings-vooral na 2010- hebben onderzoekers met succes TaC-coatings van hoge-kwaliteit op grafietoppervlakken afgezet met behulp van chemische dampafzetting (CVD) en gesmolten-zoutreactiemethoden. Sinds 2020 worden TaC-coatings industrieel toegepast. Dankzij hun vermogen om grafietoxidatie in de PVT-omgeving aanzienlijk te onderdrukken, verlengen TaC-coatings de levensduur van de kroes tot meer dan driemaal die van ongecoate grafietkroezen. Experimenten tonen aan dat TaC-gecoate grafietkroezen na 500 uur continu gebruik bij 2200 graden alleen maar corrosieputjes op micronschaal op het oppervlak vertonen, terwijl ongecoat grafiet ernstig verkoold is.
De belangrijkste methoden voor het bereiden van TaC-coatings zijn onder meer in-situ reactie, slurry-sinteren, plasmasproeien en chemische dampafzetting.
In-situ reactiemethode: gebruikt metallisch tantaalpoeder en koolstofmaterialen als grondstoffen; door middel van een vaste- reactie combineren tantaal en koolstof zich rechtstreeks op het oppervlak van het koolstofmateriaal om een TaC-coating te vormen.
Slurry-sintermethode: Coatingpoeders worden gelijkmatig gemengd met oplosmiddelen en additieven om een stabiele suspensieslurry te vormen, die gelijkmatig op het substraatoppervlak wordt aangebracht, gedroogd en vervolgens bij hoge temperatuur wordt gesinterd om een TaC-coating te produceren. Deze methode levert dichte, scheur-vrije TaC-coatings op met korrelgroottes van 10–50 μm en een laagdikte van ongeveer 100 μm. De korrelgroei vertoont geen voorkeursoriëntatie, waardoor de vorming van indringende scheuren wordt vermeden.
Plasmaspuitmethode: Coatingmateriaal wordt bij hoge temperatuur gesmolten, door een straal met hoge- snelheid tot fijne druppeltjes of hoge{0}} deeltjes verneveld en op een voorbehandeld substraatoppervlak gespoten om een coating te vormen.
Chemische dampafzetting (CVD): Het kernmechanisme omvat meerdere fysisch-chemische stappen-precursorpyrolyse, gas-fasediffusie, grensvlakreacties en oppervlakteafzetting-in een reactiekamer met hoge- temperatuur, waardoor uiteindelijk een dichte functionele coating op het substraatoppervlak wordt gevormd.