En kort historie om siliciumcarbid og anvendelser af siliciumcarbidbelægninger

1. Udvikling af SiC

I 1893 designede Edward Goodrich Acheson, opdageren af ​​SiC, en modstandsovn ved hjælp af kulstofmaterialer - kendt som Acheson-ovnen - for at begynde den industrielle produktion af siliciumcarbid ved elektrisk opvarmning af en blanding af kvarts og kulstof. Han indgav efterfølgende patent på denne opfindelse.

Fra begyndelsen til midten af ​​det 20. århundrede blev siliciumcarbid på grund af dets exceptionelle hårdhed og slidstyrke primært brugt som slibemiddel i slibe- og skæreværktøjer.

I løbet af 1950'erne og 1960'erne, med fremkomsten afkemisk dampaflejring (CVD) teknologi, var videnskabsmænd som Rustum Roy ved Bell Labs i USA banebrydende for forskning i CVD SiC-teknologi. De udviklede SiC-dampaflejringsprocesser og gennemførte foreløbige undersøgelser af dets egenskaber og anvendelser og opnåede den første aflejring afSiC-belægninger på grafitoverflader. Dette arbejde lagde et afgørende grundlag for CVD-forberedelsen af ​​SiC-belægningsmaterialer.

I 1963 grundlagde Bell Labs-forskerne Howard Wachtel og Joseph Wells CVD Incorporated med fokus på udviklingen af ​​kemiske dampaflejringsteknologier til SiC og andre keramiske belægningsmaterialer. I 1974 opnåede de den første industrielle produktion afsiliciumcarbid-belagte grafitprodukter. Denne milepæl markerede betydelige fremskridt inden for teknologien til siliciumcarbidbelægninger på grafitoverflader, hvilket banede vejen for deres udbredte anvendelse inden for områder som halvledere, optik og rumfart.

I 1970'erne ansøgte forskere ved Union Carbide Corporation (nu et helejet datterselskab af Dow Chemical) førstsiliciumcarbid-belagte grafitbaseri epitaksial vækst af halvledermaterialer såsom galliumnitrid (GaN). Denne teknologi var afgørende for fremstilling af høj ydeevneGaN-baserede lysdioder(lysemitterende dioder) og lasere, der lægger grunden til efterfølgendesiliciumcarbid epitaksi teknologiog bliver en væsentlig milepæl i anvendelsen af ​​siliciumcarbidmaterialer i halvlederområdet.

Fra 1980'erne til det tidlige 21. århundrede udvidede fremskridt inden for fremstillingsteknologier de industrielle og kommercielle anvendelser af siliciumcarbidbelægninger fra rumfart til bilindustrien, kraftelektronik, halvlederudstyr og forskellige industrielle komponenter som anti-korrosionsbelægninger.

Fra det tidlige 21. århundrede til i dag har udviklingen af ​​termisk sprøjtning, PVD og nanoteknologi introduceret nye belægningsmetoder. Forskere begyndte at udforske og udvikle siliciumcarbidbelægninger i nanoskala for yderligere at forbedre materialets ydeevne.

Sammenfattende kan forberedelsesteknologien tilCVD siliciumcarbid belægningerer gået fra laboratorieforskning til industrielle anvendelser i løbet af de sidste par årtier, hvilket har opnået kontinuerlige fremskridt og gennembrud.

2. SiC krystalstruktur og anvendelsesområder

Siliciumcarbid har over 200 polytyper, primært kategoriseret i tre hovedgrupper baseret på stablingsarrangementet af kulstof- og siliciumatomer: kubisk (3C), hexagonal (H) og rhombohedral ®. Almindelige eksempler omfatter 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC og 15R-SiC. Disse kan groft opdeles i to hovedtyper:

Figur 1: Krystalstruktur af siliciumcarbid

α-SiC:Dette er den højtemperaturstabile struktur og den oprindelige strukturtype, der findes i naturen.

β-SiC:Dette er den lavtemperaturstabile struktur, som kan dannes ved at reagere silicium og kulstof ved omkring 1450°C. β-SiC kan omdannes til α-SiC ved temperaturer mellem 2100-2400°C.

Forskellige SiC-polytyper har forskellige anvendelser. For eksempel er 4H-SiC i α-SiC velegnet til fremstilling af enheder med høj effekt, mens 6H-SiC er den mest stabile type og bruges i optoelektroniske enheder. β-SiC er, udover at blive brugt i RF-enheder, også vigtigt som en tynd film og belægningsmateriale i høje temperaturer, meget slidstærke og stærkt korrosive miljøer, hvilket giver beskyttende funktioner. β-SiC har flere fordele i forhold til α-SiC:

(1)Dens varmeledningsevne ligger mellem 120-200 W/m·K, betydeligt højere end α-SiC's 100-140 W/m·K.

(2) β-SiC udviser højere hårdhed og slidstyrke.

(3) Med hensyn til korrosionsbestandighed, mens α-SiC klarer sig godt i ikke-oxiderende og mildt sure miljøer, forbliver β-SiC stabil under mere aggressive oxiderende og stærkt alkaliske forhold, hvilket viser sin overlegne korrosionsbestandighed på tværs af en bredere vifte af kemiske miljøer .

Derudover svarer β-SiCs termiske udvidelseskoefficient tæt til grafit, hvilket gør det til det foretrukne materiale til overfladebelægninger på grafitbaser i waferepitaksiudstyr på grund af disse kombinerede egenskaber.

3. SiC-belægninger og fremstillingsmetoder

(1) SiC belægninger

SiC-belægninger er tynde film dannet af β-SiC, påført på substratoverflader gennem forskellige belægnings- eller aflejringsprocesser. Disse belægninger bruges typisk til at forbedre hårdhed, slidstyrke, korrosionsbestandighed, oxidationsbestandighed og ydeevne ved høje temperaturer. Siliciumcarbidbelægninger har brede anvendelsesmuligheder på tværs af forskellige substrater såsom keramik, metaller, glas og plastik og er meget udbredt inden for rumfart, bilproduktion, elektronik og andre områder.

Figur 2: Tværsnitsmikrostruktur af SiC-belægning på grafitoverflade

(2)  Fremstillingsmetoder

De vigtigste metoder til fremstilling af SiC-belægninger omfatter kemisk dampaflejring (CVD), fysisk dampaflejring (PVD), sprøjteteknikker, elektrokemisk aflejring og sintring af gyllebelægning.

Kemisk dampaflejring (CVD):

CVD er en af ​​de mest anvendte metoder til fremstilling af siliciumcarbidbelægninger. Under CVD-processen indføres silicium- og kulstofholdige forstadiegasser i et reaktionskammer, hvor de nedbrydes ved høje temperaturer for at producere silicium og kulstofatomer. Disse atomer adsorberer på substratoverfladen og reagerer for at danne siliciumcarbidbelægningen. Ved at kontrollere vigtige procesparametre såsom gasstrømningshastighed, aflejringstemperatur, aflejringstryk og tid kan tykkelsen, støkiometrien, kornstørrelsen, krystalstrukturen og orienteringen af ​​belægningen skræddersyes præcist til at opfylde specifikke anvendelseskrav. En anden fordel ved denne metode er dens egnethed til belægning af store og kompleksformede underlag med gode vedhæftnings- og fyldningsevner. Imidlertid er forstadier og biprodukter, der anvendes i CVD-processen, ofte brandfarlige og ætsende, hvilket gør produktionen farlig. Derudover er råvareudnyttelsesgraden relativt lav, og forberedelsesomkostningerne er høje.

Fysisk dampaflejring (PVD):

PVD involverer brug af fysiske metoder såsom termisk fordampning eller magnetronforstøvning under højvakuum for at fordampe siliciumcarbidmaterialer med høj renhed og kondensere dem på substratoverfladen og danner en tynd film. Denne metode giver mulighed for præcis kontrol over belægningens tykkelse og sammensætning, hvilket giver tætte siliciumcarbidbelægninger, der er egnede til højpræcisionsapplikationer såsom skærende værktøjsbelægninger, keramiske belægninger, optiske belægninger og termiske barrierebelægninger. Det er imidlertid en udfordring at opnå ensartet dækning på kompleksformede komponenter, især i fordybninger eller skraverede områder. Derudover kan vedhæftningen mellem belægningen og underlaget være utilstrækkelig. PVD-udstyr er dyrt på grund af behovet for dyre højvakuumsystemer og præcisionskontroludstyr. Desuden er afsætningshastigheden langsom, hvilket resulterer i lav produktionseffektivitet, hvilket gør den uegnet til storstilet industriel produktion.

Sprøjteteknik:

Dette involverer at sprøjte flydende materialer på substratoverfladen og hærde dem ved specifikke temperaturer for at danne en belægning. Metoden er enkel og omkostningseffektiv, men de resulterende belægninger udviser typisk svag vedhæftning til underlaget, dårligere ensartethed, tyndere belægninger og lavere oxidationsmodstand, hvilket ofte kræver supplerende metoder for at forbedre ydeevnen.

Elektrokemisk aflejring:

Denne teknik bruger elektrokemiske reaktioner til at afsætte siliciumcarbid fra en opløsning på substratoverfladen. Ved at kontrollere elektrodepotentialet og sammensætningen af ​​precursoropløsningen kan der opnås ensartet belægningsvækst. Siliciumcarbidbelægninger fremstillet ved denne metode er anvendelige inden for specifikke områder såsom kemiske/biologiske sensorer, fotovoltaiske enheder, elektrodematerialer til lithium-ion-batterier og korrosionsbestandige belægninger.

Gyllebelægning og sintring:

Denne metode involverer blanding af belægningsmaterialet med bindemidler for at skabe en opslæmning, som påføres ensartet på substratoverfladen. Efter tørring sintres det belagte emne ved høje temperaturer i en inert atmosfære for at danne den ønskede belægning. Dens fordele omfatter enkel og nem betjening og kontrollerbar belægningstykkelse, men vedhæftningsstyrken mellem belægningen og underlaget er ofte svagere. Belægningerne har også dårlig termisk stødmodstand, lavere ensartethed og inkonsekvente processer, hvilket gør dem uegnede til masseproduktion.

Samlet set kræver valg af den passende siliciumcarbidbelægningsfremstillingsmetode en omfattende overvejelse af ydeevnekravene, underlagets egenskaber og omkostninger baseret på anvendelsesscenariet.

4. SiC-coated grafit susceptorer

SiC-belagte grafitsusceptorer er afgørende iMetal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) processer, en teknik, der er meget udbredt til fremstilling af tynde film og belægninger inden for halvledere, optoelektronik og andre materialevidenskaber.

Figur 3

5. Funktioner af SiC-belagte grafitsubstrater i MOCVD-udstyr

SiC-belagte grafitsubstrater er afgørende i Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) processer, en teknik, der er meget udbredt til fremstilling af tynde film og belægninger inden for halvledere, optoelektronik og andre materialevidenskaber.

Figur 4:  Semicorex CVD-udstyret

Understøttende udbyder:I MOCVD kan halvledermaterialer vokse lag for lag på wafersubstratets overflade og danne tynde film med specifikke egenskaber og strukturer.Den SiC-belagte grafitbærerfungerer som en støttende bærer, der giver en robust og stabil platform tilepitaksiaf halvleder tynde film. Den fremragende termiske stabilitet og kemiske inertitet af SiC-belægningen opretholder substratets stabilitet i højtemperaturmiljøer, reducerer reaktioner med ætsende gasser og sikrer den høje renhed og ensartede egenskaber og strukturer af de dyrkede halvlederfilm. Eksempler omfatter SiC-belagte grafitsubstrater til GaN epitaksial vækst i MOCVD-udstyr, SiC-belagte grafitsubstrater til enkeltkrystal siliciumepitaksial vækst (flade substrater, runde substrater, tredimensionelle substrater) og SiC-coatede grafitsubstrater tilSiC epitaksial vækst.

Termisk stabilitet og oxidationsmodstand:MOCVD-processen kan involvere højtemperaturreaktioner og oxiderende gasser. SiC-belægningen giver yderligere termisk stabilitet og oxidationsbeskyttelse til grafitsubstratet, hvilket forhindrer svigt eller oxidation i højtemperaturmiljøer. Dette er afgørende for at kontrollere og opretholde konsistensen af ​​tyndfilmvækst.

Kontrol af materialegrænseflade og overfladeegenskaber:SiC-belægningen kan påvirke interaktioner mellem filmen og substratet, hvilket påvirker væksttilstande, gittertilpasning og grænsefladekvalitet. Ved at justere egenskaberne af SiC-belægningen kan der opnås mere præcis materialevækst og grænsefladekontrol, hvilket forbedrer ydeevnen afepitaksiale film.

Reduktion af urenhedsforurening:Den høje renhed af SiC-belægninger kan minimere kontaminering af urenheder fra grafitsubstrater, hvilket sikrer, atdyrkede epitaksiale filmhar den krævede høje renhed. Dette er afgørende for ydeevnen og pålideligheden af ​​halvlederenheder.

Figur 5: SemicorexSiC-belagt grafitreceptorsom Wafer Carrier i Epitaxy

Sammenfattende,SiC-belagte grafitsubstratergive bedre basisunderstøttelse, termisk stabilitet og grænsefladekontrol i MOCVD-processer, hvilket fremmer vækst og forberedelse af høj kvalitetepitaksiale film.

6. Konklusion og Outlook

I øjeblikket er forskningsinstitutioner i Kina dedikeret til at forbedre produktionsprocesserne afsiliciumcarbidbelagte grafitsusceptorer, hvilket forbedrer belægningens renhed og ensartethed og øger kvaliteten og levetiden af ​​SiC-belægninger, samtidig med at produktionsomkostningerne reduceres. Samtidig udforsker de måder at opnå intelligente fremstillingsprocesser for siliciumcarbid-belagte grafitsubstrater for at forbedre produktionseffektiviteten og produktkvaliteten. Industrien øger investeringerne i industrialiseringen afsiliciumcarbid-belagte grafitsubstrater, forbedring af produktionsskala og produktkvalitet for at imødekomme markedets krav. For nylig har forskningsinstitutioner og industrier aktivt udforsket nye belægningsteknologier, såsom anvendelse afTaC belægninger på grafit susceptorer, for at forbedre termisk ledningsevne og korrosionsbestandighed.**

Semicorex tilbyder komponenter af høj kvalitet til CVD SiC-belagte materialer. Hvis du har spørgsmål eller brug for yderligere detaljer, så tøv ikke med at kontakte os.

Kontakt telefon # +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com