Μια σύντομη ιστορία του καρβιδίου του πυριτίου και των εφαρμογών των επιστρώσεων καρβιδίου του πυριτίου

1. Ανάπτυξη SiC

Το 1893, ο Edward Goodrich Acheson, ο ανακάλυψε το SiC, σχεδίασε έναν κλίβανο με αντίσταση χρησιμοποιώντας υλικά άνθρακα - γνωστό ως φούρνος Acheson - για να ξεκινήσει τη βιομηχανική παραγωγή καρβιδίου του πυριτίου με ηλεκτρική θέρμανση ενός μίγματος χαλαζία και άνθρακα. Στη συνέχεια κατέθεσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για αυτήν την εφεύρεση.

Από τις αρχές έως τα μέσα του 20ου αιώνα, λόγω της εξαιρετικής σκληρότητάς του και αντοχής στη φθορά, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιήθηκε κυρίως ως λειαντικό σε εργαλεία λείανσης και κοπής.

Κατά τις δεκαετίες του 1950 και του 1960, με την έλευση τουτεχνολογία χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD)., επιστήμονες όπως ο Rustum Roy στα Bell Labs στις Ηνωμένες Πολιτείες πρωτοστάτησαν στην έρευνα για την τεχνολογία CVD SiC. Ανέπτυξαν διαδικασίες εναπόθεσης ατμών SiC και διεξήγαγαν προκαταρκτικές έρευνες στις ιδιότητες και τις εφαρμογές του, επιτυγχάνοντας την πρώτη εναπόθεσηΕπιστρώσεις SiC σε επιφάνειες γραφίτη. Αυτή η εργασία έθεσε μια κρίσιμη βάση για την προετοιμασία CVD των υλικών επικάλυψης SiC.

Το 1963, οι ερευνητές της Bell Labs, Howard Wachtel και Joseph Wells ίδρυσαν την CVD Incorporated, εστιάζοντας στην ανάπτυξη τεχνολογιών εναπόθεσης χημικών ατμών για SiC και άλλα κεραμικά υλικά επικάλυψης. Το 1974 πέτυχαν την πρώτη βιομηχανική παραγωγή τουΠροϊόντα γραφίτη επικαλυμμένα με καρβίδιο του πυριτίου. Αυτό το ορόσημο σημείωσε σημαντική πρόοδο στην τεχνολογία επικαλύψεων καρβιδίου του πυριτίου σε επιφάνειες γραφίτη, ανοίγοντας το δρόμο για την ευρεία εφαρμογή τους σε τομείς όπως οι ημιαγωγοί, η οπτική και η αεροδιαστημική.

Στη δεκαετία του 1970, οι ερευνητές της Union Carbide Corporation (τώρα μια εξ ολοκλήρου θυγατρική της Dow Chemical) έκαναν αίτηση για πρώτη φοράΒάσεις γραφίτη επικαλυμμένες με καρβίδιο του πυριτίουστην επιταξιακή ανάπτυξη ημιαγωγών υλικών όπως το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN). Αυτή η τεχνολογία ήταν ζωτικής σημασίας για την κατασκευή υψηλών επιδόσεωνLED που βασίζονται σε GaN(διόδους εκπομπής φωτός) και λέιζερ, θέτοντας τις βάσεις για μετέπειτατεχνολογία επιταξίας καρβιδίου του πυριτίουκαι να γίνει ένα σημαντικό ορόσημο στην εφαρμογή υλικών καρβιδίου του πυριτίου στον τομέα των ημιαγωγών.

Από τη δεκαετία του 1980 έως τις αρχές του 21ου αιώνα, οι εξελίξεις στις τεχνολογίες κατασκευής επέκτεινε τις βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές των επικαλύψεων καρβιδίου του πυριτίου από την αεροδιαστημική στην αυτοκινητοβιομηχανία, τα ηλεκτρονικά ισχύος, τον εξοπλισμό ημιαγωγών και διάφορα βιομηχανικά εξαρτήματα ως αντιδιαβρωτικά επιχρίσματα.

Από τις αρχές του 21ου αιώνα μέχρι σήμερα, η ανάπτυξη του θερμικού ψεκασμού, του PVD και της νανοτεχνολογίας έχει εισαγάγει νέες μεθόδους προετοιμασίας επικάλυψης. Οι ερευνητές άρχισαν να εξερευνούν και να αναπτύσσουν επιστρώσεις καρβιδίου του πυριτίου νανοκλίμακας για να βελτιώσουν περαιτέρω την απόδοση του υλικού.

Συνοπτικά, η τεχνολογία προετοιμασίας γιαΕπιστρώσεις καρβιδίου του πυριτίου CVDέχει περάσει από την εργαστηριακή έρευνα σε βιομηχανικές εφαρμογές τις τελευταίες δεκαετίες, επιτυγχάνοντας συνεχή πρόοδο και καινοτομίες.

2. SiC Κρυσταλλική Δομή και Πεδία Εφαρμογών

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πάνω από 200 πολυτύπους, που κατηγοριοποιούνται κυρίως σε τρεις κύριες ομάδες με βάση τη διάταξη στοίβαξης ατόμων άνθρακα και πυριτίου: κυβικά (3C), εξαγωνικά (H) και rhombohedral ®. Κοινά παραδείγματα περιλαμβάνουν 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC και 15R-SiC. Αυτά μπορούν να χωριστούν ευρέως σε δύο βασικούς τύπους:

Εικόνα 1: Κρυσταλλική Δομή Καρβιδίου του Πυριτίου

α-SiC:Αυτή είναι η σταθερή δομή σε υψηλή θερμοκρασία και ο αρχικός τύπος δομής που βρίσκεται στη φύση.

β-SiC:Αυτή είναι η σταθερή δομή σε χαμηλή θερμοκρασία, η οποία μπορεί να σχηματιστεί με αντίδραση πυριτίου και άνθρακα στους περίπου 1450°C. Το β-SiC μπορεί να μετατραπεί σε α-SiC σε θερμοκρασίες μεταξύ 2100-2400°C.

Διαφορετικοί πολυτύποι SiC έχουν διαφορετικές χρήσεις. Για παράδειγμα, το 4H-SiC σε α-SiC είναι κατάλληλο για την κατασκευή συσκευών υψηλής ισχύος, ενώ το 6H-SiC είναι ο πιο σταθερός τύπος και χρησιμοποιείται σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Το β-SiC, εκτός από τη χρήση σε συσκευές ραδιοσυχνοτήτων, είναι επίσης σημαντικό ως λεπτή μεμβράνη και υλικό επίστρωσης σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής φθοράς και εξαιρετικά διαβρωτικά, παρέχοντας προστατευτικές λειτουργίες. Το β-SiC έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι του α-SiC:

(1)Η θερμική του αγωγιμότητα κυμαίνεται μεταξύ 120-200 W/m·K, σημαντικά υψηλότερη από τα 100-140 W/m·K του α-SiC.

(2) Το β-SiC παρουσιάζει υψηλότερη σκληρότητα και αντοχή στη φθορά.

(3) Όσον αφορά την αντοχή στη διάβρωση, ενώ το α-SiC έχει καλή απόδοση σε μη οξειδωτικά και ήπια όξινα περιβάλλοντα, το β-SiC παραμένει σταθερό κάτω από πιο επιθετικές οξειδωτικές και έντονα αλκαλικές συνθήκες, επιδεικνύοντας την ανώτερη αντοχή του στη διάβρωση σε ένα ευρύτερο φάσμα χημικών περιβαλλόντων .

Επιπλέον, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του β-SiC ταιριάζει πολύ με αυτόν του γραφίτη, καθιστώντας τον το προτιμώμενο υλικό για επιστρώσεις επιφανειών σε βάσεις γραφίτη σε εξοπλισμό επιταξίας γκοφρέτας λόγω αυτών των συνδυασμένων ιδιοτήτων.

3. Επιστρώσεις SiC και Μέθοδοι Παρασκευής

(1) Επιστρώσεις SiC

Οι επικαλύψεις SiC είναι λεπτές μεμβράνες που σχηματίζονται από β-SiC, που εφαρμόζονται σε επιφάνειες υποστρώματος μέσω διαφόρων διαδικασιών επίστρωσης ή εναπόθεσης. Αυτές οι επικαλύψεις χρησιμοποιούνται συνήθως για την ενίσχυση της σκληρότητας, της αντοχής στη φθορά, της αντοχής στη διάβρωση, της αντοχής στην οξείδωση και της απόδοσης σε υψηλή θερμοκρασία. Οι επικαλύψεις καρβιδίου του πυριτίου έχουν ευρείες εφαρμογές σε διάφορα υποστρώματα όπως κεραμικά, μέταλλα, γυαλί και πλαστικά, και χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία, τα ηλεκτρονικά και άλλους τομείς.

Εικόνα 2: Μικροδομή εγκάρσιας τομής επικάλυψης SiC σε επιφάνεια γραφίτη

(2)  Μέθοδοι Παρασκευής

Οι κύριες μέθοδοι για την παρασκευή επικαλύψεων SiC περιλαμβάνουν τη χημική εναπόθεση ατμών (CVD), τη φυσική εναπόθεση ατμών (PVD), τις τεχνικές ψεκασμού, την ηλεκτροχημική εναπόθεση και τη σύντηξη επίστρωσης με πολτό.

Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD):

Η CVD είναι μια από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μεθόδους για την παρασκευή επικαλύψεων καρβιδίου του πυριτίου. Κατά τη διαδικασία CVD, τα πρόδρομα αέρια που περιέχουν πυρίτιο και άνθρακα εισάγονται σε ένα θάλαμο αντίδρασης, όπου αποσυντίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες για να παράγουν άτομα πυριτίου και άνθρακα. Αυτά τα άτομα προσροφούνται στην επιφάνεια του υποστρώματος και αντιδρούν για να σχηματίσουν την επικάλυψη καρβιδίου του πυριτίου. Με τον έλεγχο των βασικών παραμέτρων διεργασίας όπως ο ρυθμός ροής αερίου, η θερμοκρασία εναπόθεσης, η πίεση εναπόθεσης και ο χρόνος, το πάχος, η στοιχειομετρία, το μέγεθος κόκκων, η κρυσταλλική δομή και ο προσανατολισμός της επικάλυψης μπορούν να προσαρμοστούν με ακρίβεια για να ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες απαιτήσεις εφαρμογής. Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η καταλληλότητά της για επίστρωση μεγάλων και πολύπλοκου σχήματος υποστρωμάτων με καλή ικανότητα πρόσφυσης και πλήρωσης. Ωστόσο, οι πρόδρομες ουσίες και τα υποπροϊόντα που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία CVD είναι συχνά εύφλεκτα και διαβρωτικά, καθιστώντας την παραγωγή επικίνδυνη. Επιπλέον, το ποσοστό χρησιμοποίησης της πρώτης ύλης είναι σχετικά χαμηλό και το κόστος προετοιμασίας είναι υψηλό.

Φυσική εναπόθεση ατμών (PVD):

Το PVD περιλαμβάνει τη χρήση φυσικών μεθόδων όπως η θερμική εξάτμιση ή η ψεκασμός με μαγνήτρον υπό υψηλό κενό για την εξάτμιση υλικών καρβιδίου του πυριτίου υψηλής καθαρότητας και τη συμπύκνωση τους στην επιφάνεια του υποστρώματος, σχηματίζοντας ένα λεπτό φιλμ. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο του πάχους και της σύνθεσης της επίστρωσης, παράγοντας πυκνές επικαλύψεις καρβιδίου του πυριτίου κατάλληλες για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας, όπως επιστρώσεις κοπτικών εργαλείων, κεραμικές επιστρώσεις, οπτικές επιστρώσεις και επιστρώσεις θερμικού φραγμού. Ωστόσο, η επίτευξη ομοιόμορφης κάλυψης σε σύνθετα εξαρτήματα, ιδιαίτερα σε εσοχές ή σκιασμένες περιοχές, είναι πρόκληση. Επιπλέον, η πρόσφυση μεταξύ της επικάλυψης και του υποστρώματος μπορεί να είναι ανεπαρκής. Ο εξοπλισμός PVD είναι δαπανηρός λόγω της ανάγκης για ακριβά συστήματα υψηλής υποπίεσης και εξοπλισμό ελέγχου ακριβείας. Επιπλέον, ο ρυθμός εναπόθεσης είναι αργός, με αποτέλεσμα χαμηλή απόδοση παραγωγής, καθιστώντας το ακατάλληλο για μεγάλης κλίμακας βιομηχανική παραγωγή.

Τεχνική ψεκασμού:

Αυτό περιλαμβάνει τον ψεκασμό υγρών υλικών στην επιφάνεια του υποστρώματος και τη σκλήρυνση τους σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες για να σχηματιστεί μια επίστρωση. Η μέθοδος είναι απλή και οικονομικά αποδοτική, αλλά οι προκύπτουσες επικαλύψεις τυπικά παρουσιάζουν ασθενή πρόσφυση στο υπόστρωμα, φτωχότερη ομοιομορφία, λεπτότερες επικαλύψεις και χαμηλότερη αντίσταση στην οξείδωση, απαιτώντας συχνά συμπληρωματικές μεθόδους για τη βελτίωση της απόδοσης.

Ηλεκτροχημική εναπόθεση:

Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί ηλεκτροχημικές αντιδράσεις για την εναπόθεση καρβιδίου του πυριτίου από ένα διάλυμα στην επιφάνεια του υποστρώματος. Με τον έλεγχο του δυναμικού του ηλεκτροδίου και της σύνθεσης του προδρόμου διαλύματος, μπορεί να επιτευχθεί ομοιόμορφη ανάπτυξη επικάλυψης. Οι επικαλύψεις καρβιδίου του πυριτίου που παρασκευάζονται με αυτή τη μέθοδο είναι εφαρμόσιμες σε συγκεκριμένα πεδία όπως χημικοί/βιολογικοί αισθητήρες, φωτοβολταϊκές συσκευές, υλικά ηλεκτροδίων για μπαταρίες ιόντων λιθίου και ανθεκτικές στη διάβρωση επιστρώσεις.

Επικάλυψη και πυροσυσσωμάτωση με πολτό:

Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την ανάμειξη του υλικού επίστρωσης με συνδετικά για τη δημιουργία ενός πολτού, ο οποίος εφαρμόζεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια του υποστρώματος. Μετά την ξήρανση, το επικαλυμμένο τεμάχιο εργασίας πυροσυσσωματώνεται σε υψηλές θερμοκρασίες σε αδρανή ατμόσφαιρα για να σχηματιστεί η επιθυμητή επίστρωση. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν την απλή και εύκολη λειτουργία και το ελεγχόμενο πάχος επίστρωσης, αλλά η αντοχή συγκόλλησης μεταξύ της επίστρωσης και του υποστρώματος είναι συχνά πιο αδύναμη. Οι επικαλύψεις έχουν επίσης χαμηλή αντίσταση σε θερμικό σοκ, χαμηλότερη ομοιομορφία και ασυνεπείς διαδικασίες, γεγονός που τις καθιστά ακατάλληλες για μαζική παραγωγή.

Συνολικά, η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου προετοιμασίας επίστρωσης καρβιδίου του πυριτίου απαιτεί μια ολοκληρωμένη εξέταση των απαιτήσεων απόδοσης, των χαρακτηριστικών του υποστρώματος και του κόστους με βάση το σενάριο εφαρμογής.

4. Επικαλυμμένοι με SiC επιδεκτικοί γραφίτης

Οι επικαλυμμένοι με SiC υποδοχείς γραφίτη είναι ζωτικής σημασίαςΔιεργασίες εναπόθεσης ατμών οργανικών χημικών μετάλλων (MOCVD)., μια τεχνική που χρησιμοποιείται ευρέως για την παρασκευή λεπτών μεμβρανών και επικαλύψεων στους τομείς των ημιαγωγών, της οπτοηλεκτρονικής και άλλων επιστημών υλικών.

Εικόνα 3

5. Λειτουργίες υποστρωμάτων γραφίτη με επικάλυψη SiC σε εξοπλισμό MOCVD

Τα επικαλυμμένα με SiC υποστρώματα γραφίτη είναι ζωτικής σημασίας στις διεργασίες Μεταλλικής Οργανικής Χημικής Εναπόθεσης Ατμών (MOCVD), μια τεχνική που χρησιμοποιείται ευρέως για την παρασκευή λεπτών μεμβρανών και επικαλύψεων στους τομείς των ημιαγωγών, της οπτοηλεκτρονικής και άλλων επιστημών υλικών.

Εικόνα 4:  Ο εξοπλισμός Semicorex CVD

Υποστηρικτικός φορέας:Στο MOCVD, τα υλικά ημιαγωγών μπορούν να αναπτυχθούν στρώμα προς στρώμα στην επιφάνεια του υποστρώματος του πλακιδίου, σχηματίζοντας λεπτές μεμβράνες με συγκεκριμένες ιδιότητες και δομές.Ο φορέας γραφίτη με επίστρωση SiCλειτουργεί ως υποστηρικτικός φορέας, παρέχοντας μια στιβαρή και σταθερή πλατφόρμα για τοεπιταξίααπό λεπτές μεμβράνες ημιαγωγών. Η εξαιρετική θερμική σταθερότητα και η χημική αδράνεια της επίστρωσης SiC διατηρούν τη σταθερότητα του υποστρώματος σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, μειώνοντας τις αντιδράσεις με διαβρωτικά αέρια και διασφαλίζοντας την υψηλή καθαρότητα και σταθερές ιδιότητες και δομές των αναπτυσσόμενων φιλμ ημιαγωγών. Παραδείγματα περιλαμβάνουν υποστρώματα γραφίτη επικαλυμμένα με SiC για επιταξιακή ανάπτυξη GaN σε εξοπλισμό MOCVD, επικαλυμμένα με SiC υποστρώματα γραφίτη για επιταξιακή ανάπτυξη μονοκρυσταλλικού πυριτίου (επίπεδα υποστρώματα, στρογγυλά υποστρώματα, τρισδιάστατα υποστρώματα) και επικαλυμμένα με SiC υποστρώματα γραφίτη γιαSiC επιταξιακή ανάπτυξη.

Θερμική σταθερότητα και αντίσταση στην οξείδωση:Η διαδικασία MOCVD μπορεί να περιλαμβάνει αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας και οξειδωτικά αέρια. Η επίστρωση SiC παρέχει πρόσθετη θερμική σταθερότητα και προστασία από την οξείδωση για το υπόστρωμα γραφίτη, αποτρέποντας την αστοχία ή την οξείδωση σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για τον έλεγχο και τη διατήρηση της συνέπειας της ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης.

Έλεγχος ιδιοτήτων διεπαφής υλικού και επιφάνειας:Η επίστρωση SiC μπορεί να επηρεάσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φιλμ και του υποστρώματος, επηρεάζοντας τους τρόπους ανάπτυξης, την αντιστοίχιση του πλέγματος και την ποιότητα της διεπαφής. Με την προσαρμογή των ιδιοτήτων της επίστρωσης SiC, μπορεί να επιτευχθεί πιο ακριβής ανάπτυξη υλικού και έλεγχος διεπαφής, βελτιώνοντας την απόδοση τουεπιταξιακές ταινίες.

Μείωση της μόλυνσης από ακαθαρσίες:Η υψηλή καθαρότητα των επικαλύψεων SiC μπορεί να ελαχιστοποιήσει τη μόλυνση από ακαθαρσίες από υποστρώματα γραφίτη, διασφαλίζοντας ότι ηαναπτυγμένες επιταξιακές μεμβράνεςέχουν την απαιτούμενη υψηλή καθαρότητα. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την απόδοση και την αξιοπιστία των συσκευών ημιαγωγών.

Εικόνα 5: Το SemicorexΥποδοχέας γραφίτη με επίστρωση SiCως Wafer Carrier στο Epitaxy

Συνοψίζοντας,Υποστρώματα γραφίτη επικαλυμμένα με SiCπαρέχουν καλύτερη υποστήριξη βάσης, θερμική σταθερότητα και έλεγχο διεπαφής στις διαδικασίες MOCVD, προωθώντας την ανάπτυξη και την προετοιμασία υψηλής ποιότηταςεπιταξιακές ταινίες.

6. Συμπέρασμα και Outlook

Επί του παρόντος, ερευνητικά ιδρύματα στην Κίνα είναι αφοσιωμένα στη βελτίωση των διαδικασιών παραγωγής τουΥποδοχείς γραφίτη επικαλυμμένοι με καρβίδιο του πυριτίου, βελτιώνοντας την καθαρότητα και την ομοιομορφία της επίστρωσης και αυξάνοντας την ποιότητα και τη διάρκεια ζωής των επικαλύψεων SiC με ταυτόχρονη μείωση του κόστους παραγωγής. Ταυτόχρονα, διερευνούν τρόπους για την επίτευξη έξυπνων διαδικασιών παραγωγής για υποστρώματα γραφίτη επικαλυμμένα με καρβίδιο του πυριτίου για τη βελτίωση της αποδοτικότητας της παραγωγής και της ποιότητας των προϊόντων. Η βιομηχανία αυξάνει τις επενδύσεις στην εκβιομηχάνιση τηςυποστρώματα γραφίτη επικαλυμμένα με καρβίδιο του πυριτίου, ενίσχυση της κλίμακας παραγωγής και της ποιότητας των προϊόντων για την κάλυψη των απαιτήσεων της αγοράς. Πρόσφατα, ερευνητικά ιδρύματα και βιομηχανίες εξερευνούν ενεργά νέες τεχνολογίες επίστρωσης, όπως η εφαρμογή τουΕπιστρώσεις TaC σε υποδοχείς γραφίτη, για τη βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας και της αντοχής στη διάβρωση.**

Η Semicorex προσφέρει εξαρτήματα υψηλής ποιότητας για υλικά με επίστρωση CVD SiC. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις ή χρειάζεστε πρόσθετες λεπτομέρειες, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.

Τηλέφωνο επικοινωνίας +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com