Kratka zgodovina silicijevega karbida in uporabe prevlek iz silicijevega karbida

1. Razvoj SiC

Leta 1893 je Edward Goodrich Acheson, odkritelj SiC, zasnoval uporovno peč z uporabo ogljikovih materialov – znano kot Achesonova peč – za začetek industrijske proizvodnje silicijevega karbida z električnim segrevanjem mešanice kremena in ogljika. Kasneje je vložil patent za ta izum.

Od začetka do sredine 20. stoletja se je silicijev karbid zaradi svoje izjemne trdote in odpornosti proti obrabi uporabljal predvsem kot abraziv v orodjih za brušenje in rezanje.

V petdesetih in šestdesetih letih 20. stoletja s pojavomtehnologija kemičnega naparjevanja (CVD)., so znanstveniki, kot je Rustum Roy iz Bell Labs v Združenih državah, začeli raziskovati tehnologijo CVD SiC. Razvili so postopke naparjevanja SiC in izvedli predhodne raziskave njegovih lastnosti in uporabe, pri čemer so dosegli prvo nanašanjeSiC prevleke na grafitnih površinah. To delo je postavilo ključno podlago za CVD pripravo prevlečnih materialov SiC.

Leta 1963 sta raziskovalca Bell Labsa, Howard Wachtel in Joseph Wells, ustanovila CVD Incorporated, ki se je osredotočila na razvoj tehnologij kemičnega naparjevanja za SiC in druge materiale za keramične prevleke. Leta 1974 so dosegli prvo industrijsko proizvodnjoizdelki iz grafita, prevlečeni s silicijevim karbidom. Ta mejnik je zaznamoval pomemben napredek v tehnologiji prevlek iz silicijevega karbida na grafitnih površinah, s čimer je utrl pot njihovi široki uporabi na področjih, kot so polprevodniki, optika in vesoljska industrija.

V sedemdesetih letih 20. stoletja so raziskovalci pri Union Carbide Corporation (zdaj v 100-odstotni lasti družbe Dow Chemical) prvič uporabiligrafitne baze, prevlečene s silicijevim karbidompri epitaksialni rasti polprevodniških materialov, kot je galijev nitrid (GaN). Ta tehnologija je bila ključnega pomena za visoko zmogljivo proizvodnjoLED na osnovi GaN(svetleče diode) in laserji, ki postavljajo temelje za nadaljnjetehnologija epitaksije silicijevega karbidain postal pomemben mejnik pri uporabi materialov iz silicijevega karbida na področju polprevodnikov.

Od osemdesetih let prejšnjega stoletja do zgodnjega 21. stoletja je napredek v proizvodnih tehnologijah razširil industrijsko in komercialno uporabo premazov iz silicijevega karbida od vesolja do avtomobilov, močnostne elektronike, polprevodniške opreme in različnih industrijskih komponent kot protikorozijskih premazov.

Od začetka 21. stoletja do danes je razvoj termičnega pršenja, PVD in nanotehnologije uvedel nove metode priprave premazov. Raziskovalci so začeli raziskovati in razvijati prevleke iz silicijevega karbida v nanometru, da bi dodatno izboljšali učinkovitost materiala.

Če povzamemo, tehnologija priprave zaCVD prevleke iz silicijevega karbidaje v zadnjih nekaj desetletjih prešel iz laboratorijskih raziskav v industrijske aplikacije ter dosegel stalen napredek in preboje.

2. Kristalna struktura SiC in področja uporabe

Silicijev karbid ima več kot 200 politipov, ki so v glavnem razvrščeni v tri glavne skupine glede na razporeditev atomov ogljika in silicija: kubični (3C), heksagonalni (H) in romboedrični ®. Pogosti primeri vključujejo 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC in 15R-SiC. Te lahko na splošno razdelimo na dve glavni vrsti:

Slika 1: Kristalna struktura silicijevega karbida

α-SiC:To je visokotemperaturna stabilna struktura in izvirna vrsta strukture, ki jo najdemo v naravi.

β-SiC:To je nizkotemperaturna stabilna struktura, ki jo je mogoče oblikovati z reakcijo silicija in ogljika pri približno 1450 °C. β-SiC se lahko spremeni v α-SiC pri temperaturah med 2100-2400 °C.

Različni politipi SiC imajo različne uporabe. Na primer, 4H-SiC v α-SiC je primeren za proizvodnjo visoko zmogljivih naprav, medtem ko je 6H-SiC najstabilnejši tip in se uporablja v optoelektronskih napravah. Poleg tega, da se uporablja v RF napravah, je β-SiC pomemben tudi kot tanek film in premazni material v okoljih z visoko temperaturo, visoko obrabo in zelo korozivnimi okolji, ki zagotavljajo zaščitne funkcije. β-SiC ima več prednosti pred α-SiC:

(1)Njegova toplotna prevodnost se giblje med 120–200 W/m·K, kar je znatno višje od 100–140 W/m·K pri α-SiC.

(2) β-SiC kaže večjo trdoto in odpornost proti obrabi.

(3) Kar zadeva korozijsko odpornost, medtem ko se α-SiC dobro obnese v neoksidirajočih in rahlo kislih okoljih, β-SiC ostaja stabilen v bolj agresivnih oksidacijskih in močno alkalnih pogojih, kar dokazuje svojo vrhunsko odpornost proti koroziji v širšem razponu kemičnih okolij. .

Poleg tega se toplotni raztezni koeficient β-SiC zelo ujema s koeficientom grafita, zaradi česar je zaradi teh kombiniranih lastnosti prednostni material za površinske premaze na grafitnih osnovah v opremi za epitaksijo rezin.

3. SiC premazi in metode priprave

(1) SiC premazi

Prevleke SiC so tanke plasti, oblikovane iz β-SiC, nanesene na površine podlage z različnimi postopki nanašanja ali nanašanja. Ti premazi se običajno uporabljajo za povečanje trdote, odpornosti proti obrabi, odpornosti proti koroziji, odpornosti proti oksidaciji in učinkovitosti pri visokih temperaturah. Prevleke iz silicijevega karbida imajo široko uporabo na različnih substratih, kot so keramika, kovine, steklo in plastika, in se pogosto uporabljajo v vesoljski industriji, avtomobilski industriji, elektroniki in drugih področjih.

Slika 2: Mikrostruktura preseka SiC prevleke na grafitni površini

(2)  Metode priprave

Glavne metode za pripravo SiC prevlek vključujejo kemično naparjevanje (CVD), fizično naparjanje (PVD), tehnike brizganja, elektrokemično nanašanje in sintranje prevlek v gnojevki.

Kemično naparjanje (CVD):

CVD je ena najpogosteje uporabljenih metod za pripravo prevlek iz silicijevega karbida. Med postopkom CVD se predhodni plini, ki vsebujejo silicij in ogljik, vnesejo v reakcijsko komoro, kjer pri visokih temperaturah razpadejo, da nastanejo atomi silicija in ogljika. Ti atomi se adsorbirajo na površino substrata in reagirajo, da tvorijo prevleko iz silicijevega karbida. Z nadzorom ključnih procesnih parametrov, kot so hitrost pretoka plina, temperatura nanašanja, tlak nanašanja in čas, je mogoče debelino, stehiometrijo, velikost zrn, kristalno strukturo in orientacijo prevleke natančno prilagoditi za izpolnjevanje posebnih zahtev uporabe. Druga prednost te metode je njena primernost za premazovanje velikih in kompleksnih podlag z dobrim oprijemom in polnilnimi sposobnostmi. Vendar pa so predhodne sestavine in stranski produkti, uporabljeni v procesu CVD, pogosto vnetljivi in ​​jedki, zaradi česar je proizvodnja nevarna. Poleg tega je stopnja izkoriščenosti surovin relativno nizka, stroški priprave pa visoki.

Fizično naparjanje (PVD):

PVD vključuje uporabo fizikalnih metod, kot je toplotno izhlapevanje ali magnetronsko razprševanje pod visokim vakuumom za uparjanje materialov iz silicijevega karbida visoke čistosti in njihovo kondenzacijo na površini substrata, pri čemer se tvori tanek film. Ta metoda omogoča natančen nadzor nad debelino in sestavo prevleke, s čimer se proizvajajo prevleke iz gostega silicijevega karbida, primerne za visokonatančne aplikacije, kot so prevleke za rezalna orodja, keramične prevleke, optične prevleke in prevleke s toplotno zaporo. Vendar pa je doseganje enotne pokritosti na komponentah kompleksne oblike, zlasti v vdolbinah ali zasenčenih območjih, izziv. Poleg tega je lahko oprijem med premazom in podlago nezadosten. Oprema PVD je draga zaradi potrebe po dragih sistemih z visokim vakuumom in opremi za natančno krmiljenje. Poleg tega je stopnja nanašanja počasna, kar ima za posledico nizko proizvodno učinkovitost, zaradi česar ni primeren za industrijsko proizvodnjo v velikem obsegu.

Tehnika škropljenja:

To vključuje brizganje tekočih materialov na površino substrata in njihovo strjevanje pri določenih temperaturah, da nastane premaz. Metoda je preprosta in stroškovno učinkovita, vendar imajo dobljeni premazi običajno šibek oprijem na podlago, slabšo enotnost, tanjše premaze in nižjo odpornost proti oksidaciji, kar pogosto zahteva dodatne metode za izboljšanje učinkovitosti.

Elektrokemično nanašanje:

Ta tehnika uporablja elektrokemične reakcije za odlaganje silicijevega karbida iz raztopine na površino substrata. Z nadzorovanjem potenciala elektrode in sestave predhodne raztopine je mogoče doseči enakomerno rast prevleke. Prevleke iz silicijevega karbida, pripravljene s to metodo, so uporabne na specifičnih področjih, kot so kemijski/biološki senzorji, fotonapetostne naprave, elektrodni materiali za litij-ionske baterije in premazi, odporni proti koroziji.

Nanos gnojevke in sintranje:

Ta metoda vključuje mešanje premaznega materiala z vezivi, da se ustvari gošča, ki se enakomerno nanese na površino substrata. Po sušenju se premazani obdelovanec sintra pri visokih temperaturah v inertni atmosferi, da se oblikuje želeni premaz. Njegove prednosti so preprosto in enostavno upravljanje ter nadzorovana debelina nanosa, vendar je moč spoja med nanosom in podlago pogosto šibkejša. Prevleke imajo tudi slabo odpornost na toplotne udarce, nižjo enakomernost in nedosledne postopke, zaradi česar so neprimerne za množično proizvodnjo.

Na splošno izbira ustrezne metode priprave premaza iz silicijevega karbida zahteva celovito preučitev zahtev glede zmogljivosti, značilnosti podlage in stroškov glede na scenarij uporabe.

4. Grafitni prijemniki, prevlečeni s SiC

Grafitni sprejemniki, prevlečeni s SiC, so ključni priPostopki kovinsko organskega kemičnega naparjevanja (MOCVD)., tehnika, ki se široko uporablja za pripravo tankih filmov in prevlek na področju polprevodnikov, optoelektronike in drugih znanosti o materialih.

Slika 3

5. Funkcije grafitnih substratov, prevlečenih s SiC, v opremi MOCVD

Grafitni substrati, prevlečeni s SiC, so ključnega pomena v postopkih kovinskega organskega kemičnega naparjevanja (MOCVD), tehniki, ki se pogosto uporablja za pripravo tankih filmov in premazov na področju polprevodnikov, optoelektronike in drugih znanosti o materialih.

Slika 4:  Oprema Semicorex CVD

Podporni prevoznik:Pri MOCVD lahko polprevodniški materiali rastejo plast za plastjo na površini substrata rezin in tvorijo tanke filme s posebnimi lastnostmi in strukturami.Grafitni nosilec, prevlečen s SiCdeluje kot podporni nosilec, ki zagotavlja robustno in stabilno platformo zaepitaksijapolprevodniških tankih filmov. Odlična toplotna stabilnost in kemična inertnost prevleke SiC ohranjata stabilnost podlage v okoljih z visoko temperaturo, zmanjšujeta reakcije s korozivnimi plini in zagotavljata visoko čistost ter dosledne lastnosti in strukture gojenih polprevodniških filmov. Primeri vključujejo s SiC prevlečene grafitne substrate za epitaksialno rast GaN v opremi MOCVD, s SiC prevlečene grafitne substrate za epitaksialno rast monokristalnega silicija (ploščati substrati, okrogli substrati, tridimenzionalni substrati) in s SiC prevlečene grafitne substrate zaSiC epitaksialna rast.

Toplotna stabilnost in odpornost proti oksidaciji:Postopek MOCVD lahko vključuje visokotemperaturne reakcije in oksidativne pline. Prevleka SiC zagotavlja dodatno toplotno stabilnost in zaščito pred oksidacijo za grafitno podlago, kar preprečuje odpoved ali oksidacijo v okoljih z visoko temperaturo. To je ključnega pomena za nadzor in vzdrževanje doslednosti rasti tankega filma.

Nadzor vmesnika materiala in površinskih lastnosti:Prevleka SiC lahko vpliva na interakcije med filmom in substratom, kar vpliva na načine rasti, ujemanje mreže in kakovost vmesnika. S prilagoditvijo lastnosti prevleke SiC je mogoče doseči natančnejšo rast materiala in nadzor vmesnika, kar izboljša učinkovitostepitaksialne folije.

Zmanjšanje kontaminacije z nečistočami:Visoka čistost SiC prevlek lahko zmanjša onesnaženje z nečistočami iz grafitnih substratov, kar zagotavlja, dagojene epitaksialne filmeimajo zahtevano visoko čistost. To je bistveno za delovanje in zanesljivost polprevodniških naprav.

Slika 5: SemicorexGrafitni receptor, prevlečen s SiCkot nosilec rezin v epitaksiji

V povzetku,Grafitne podlage, prevlečene s SiCzagotoviti boljšo osnovno podporo, toplotno stabilnost in nadzor vmesnika v procesih MOCVD, spodbujati rast in pripravo visokokakovostnihepitaksialne folije.

6. Zaključek in obeti

Trenutno se raziskovalne ustanove na Kitajskem posvečajo izboljšanju proizvodnih procesovgrafitni prijemalniki, prevlečeni s silicijevim karbidom, izboljšanje čistosti in enakomernosti premaza ter povečanje kakovosti in življenjske dobe SiC premazov ob zmanjšanju proizvodnih stroškov. Hkrati raziskujejo načine za doseganje inteligentnih proizvodnih procesov za grafitne substrate, prevlečene s silicijevim karbidom, da bi izboljšali učinkovitost proizvodnje in kakovost izdelkov. Industrija povečuje vlaganja v industrializacijografitne podlage, prevlečene s silicijevim karbidom, povečanje obsega proizvodnje in kakovosti izdelkov za izpolnjevanje zahtev trga. V zadnjem času raziskovalne ustanove in industrije aktivno raziskujejo nove tehnologije premazov, kot je uporabaTaC prevleke na grafitnih suceptorjih, za izboljšanje toplotne prevodnosti in odpornosti proti koroziji.**

Semicorex ponuja visokokakovostne komponente za materiale, prevlečene s CVD SiC. Če imate kakršna koli vprašanja ali potrebujete dodatne podrobnosti, ne oklevajte in stopite v stik z nami.

Kontaktna telefonska številka +86-13567891907

E-pošta: sales@semicorex.com