Stručná historie karbidu křemíku a aplikace povlaků z karbidu křemíku

1. Vývoj SiC

V roce 1893 Edward Goodrich Acheson, objevitel SiC, navrhl odporovou pec využívající uhlíkové materiály – známou jako Achesonova pec – k zahájení průmyslové výroby karbidu křemíku elektrickým ohřevem směsi křemene a uhlíku. Následně podal patent na tento vynález.

Od počátku do poloviny 20. století se karbid křemíku díky své výjimečné tvrdosti a odolnosti proti opotřebení používal především jako brusivo v brusných a řezných nástrojích.

V průběhu 50. a 60. let 20. století s příchodem tzvtechnologie chemické depozice z plynné fáze (CVD)., vědci jako Rustum Roy z Bell Labs ve Spojených státech propagovali výzkum technologie CVD SiC. Vyvinuli procesy napařování SiC a provedli předběžné průzkumy jeho vlastností a aplikací, čímž dosáhli prvního naneseníSiC povlaky na grafitových površích. Tato práce položila zásadní základ pro CVD přípravu SiC povlakových materiálů.

V roce 1963 založili výzkumníci společnosti Bell Labs Howard Wachtel a Joseph Wells společnost CVD Incorporated se zaměřením na vývoj technologií chemického napařování pro SiC a další keramické povlakové materiály. V roce 1974 dosáhli první průmyslové výrobygrafitové produkty potažené karbidem křemíku. Tento milník znamenal významný pokrok v technologii povlaků z karbidu křemíku na grafitových površích, čímž se otevřela cesta pro jejich široké použití v oblastech, jako jsou polovodiče, optika a letecký průmysl.

V 70. letech 20. století výzkumníci z Union Carbide Corporation (nyní zcela vlastněná dceřiná společnost Dow Chemical) poprvé použiligrafitové báze potažené karbidem křemíkupři epitaxním růstu polovodičových materiálů, jako je nitrid galia (GaN). Tato technologie byla klíčová pro výrobu s vysokým výkonemLED na bázi GaN(světelné diody) a lasery, čímž byly položeny základy pro následnétechnologie epitaxe karbidu křemíkua stát se významným milníkem v aplikaci materiálů karbidu křemíku v oblasti polovodičů.

Od 80. let do počátku 21. století pokrok ve výrobních technologiích rozšířil průmyslové a komerční aplikace povlaků z karbidu křemíku od letectví po automobilový průmysl, výkonovou elektroniku, polovodičová zařízení a různé průmyslové komponenty jako antikorozní povlaky.

Od počátku 21. století do současnosti zavedl rozvoj žárového nástřiku, PVD a nanotechnologií nové metody přípravy povlaků. Vědci začali zkoumat a vyvíjet povlaky z karbidu křemíku v nanoměřítku, aby dále zlepšili vlastnosti materiálu.

Stručně řečeno, technologie přípravy proCVD povlaky z karbidu křemíkuv posledních několika desetiletích přešla od laboratorního výzkumu k průmyslovým aplikacím a dosáhla neustálého pokroku a průlomů.

2. Krystalová struktura SiC a oblasti použití

Karbid křemíku má více než 200 polytypů, primárně rozdělených do tří hlavních skupin na základě uspořádání atomů uhlíku a křemíku: kubický (3C), hexagonální (H) a romboedrický ®. Běžné příklady zahrnují 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC a 15R-SiC. Ty lze obecně rozdělit do dvou hlavních typů:

Obrázek 1: Krystalová struktura karbidu křemíku

α-SiC:Toto je struktura stabilní při vysokých teplotách a původní typ struktury nalezený v přírodě.

β-SiC:Jedná se o nízkoteplotně stabilní strukturu, kterou lze vytvořit reakcí křemíku a uhlíku při teplotě kolem 1450 °C. β-SiC se může přeměnit na α-SiC při teplotách mezi 2100-2400 °C.

Různé polytypy SiC mají různá použití. Například 4H-SiC v α-SiC je vhodný pro výrobu vysoce výkonných zařízení, zatímco 6H-SiC je nejstabilnější typ a používá se v optoelektronických zařízeních. β-SiC, kromě toho, že se používá v RF zařízeních, je také důležitý jako tenký film a povlakový materiál ve vysokoteplotních, vysoce opotřebitelných a vysoce korozivních prostředích a poskytuje ochranné funkce. β-SiC má několik výhod oproti α-SiC:

(1)Jeho tepelná vodivost se pohybuje mezi 120-200 W/m·K, což je výrazně vyšší hodnota než u α-SiC 100-140 W/m·K.

(2) β-SiC vykazuje vyšší tvrdost a odolnost proti opotřebení.

(3) Pokud jde o odolnost proti korozi, zatímco α-SiC funguje dobře v neoxidačním a mírně kyselém prostředí, β-SiC zůstává stabilní za agresivnějších oxidačních a silně alkalických podmínek, což prokazuje svou vynikající odolnost proti korozi v širším rozsahu chemických prostředí. .

Koeficient tepelné roztažnosti β-SiC se navíc těsně shoduje s koeficientem tepelné roztažnosti grafitu, díky čemuž je díky těmto kombinovaným vlastnostem preferovaným materiálem pro povrchové nátěry na grafitových základech v zařízení pro epitaxi plátků.

3. SiC povlaky a způsoby přípravy

(1) SiC povlaky

Povlaky SiC jsou tenké filmy vytvořené z β-SiC, které se nanášejí na povrchy substrátů různými procesy potahování nebo nanášení. Tyto povlaky se obvykle používají ke zvýšení tvrdosti, odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi, odolnosti proti oxidaci a výkonu při vysokých teplotách. Povlaky z karbidu křemíku mají široké uplatnění na různých substrátech, jako je keramika, kovy, sklo a plasty, a jsou široce používány v letectví, automobilovém průmyslu, elektronice a dalších oborech.

Obrázek 2: Mikrostruktura SiC povlaku v řezu na grafitovém povrchu

(2)  Způsoby přípravy

Mezi hlavní způsoby přípravy povlaků SiC patří chemické nanášení z plynné fáze (CVD), fyzikální nanášení z plynné fáze (PVD), stříkací techniky, elektrochemické nanášení a slinování povlaků v kaši.

Chemická depozice z plynné fáze (CVD):

CVD je jednou z nejčastěji používaných metod pro přípravu povlaků z karbidu křemíku. Během procesu CVD jsou prekurzorové plyny obsahující křemík a uhlík zaváděny do reakční komory, kde se při vysokých teplotách rozkládají za vzniku křemíku a atomů uhlíku. Tyto atomy se adsorbují na povrch substrátu a reagují za vzniku povlaku karbidu křemíku. Řízením klíčových parametrů procesu, jako je průtok plynu, teplota nanášení, tlak nanášení a čas, lze tloušťku, stechiometrii, velikost zrna, krystalovou strukturu a orientaci povlaku přesně přizpůsobit tak, aby splňovaly specifické požadavky aplikace. Další výhodou této metody je její vhodnost pro nátěry rozměrných a tvarově složitých podkladů s dobrou přilnavostí a plnícími schopnostmi. Prekurzory a vedlejší produkty používané v procesu CVD jsou však často hořlavé a korozivní, takže výroba je nebezpečná. Kromě toho je míra využití suroviny relativně nízká a náklady na přípravu jsou vysoké.

Fyzikální depozice z plynné fáze (PVD):

PVD zahrnuje použití fyzikálních metod, jako je tepelné odpařování nebo magnetronové naprašování ve vysokém vakuu, aby se odpařily materiály z karbidu křemíku o vysoké čistotě a kondenzovaly na povrchu substrátu, čímž se vytvoří tenký film. Tato metoda umožňuje přesnou kontrolu nad tloušťkou a složením povlaku a vytváří husté povlaky z karbidu křemíku vhodné pro vysoce přesné aplikace, jako jsou povlaky řezných nástrojů, keramické povlaky, optické povlaky a povlaky tepelné bariéry. Dosažení jednotného pokrytí na součástech složitých tvarů, zejména ve výklencích nebo zastíněných oblastech, je však náročné. Navíc adheze mezi povlakem a substrátem může být nedostatečná. PVD zařízení je nákladné kvůli potřebě drahých vysokovakuových systémů a přesných řídicích zařízení. Kromě toho je rychlost depozice pomalá, což má za následek nízkou efektivitu výroby, takže je nevhodný pro průmyslovou výrobu ve velkém měřítku.

Technika stříkání:

To zahrnuje nástřik kapalných materiálů na povrch substrátu a jejich vytvrzení při specifických teplotách za účelem vytvoření povlaku. Metoda je jednoduchá a nákladově efektivní, ale výsledné povlaky typicky vykazují slabou adhezi k substrátu, horší stejnoměrnost, tenčí povlaky a nižší odolnost proti oxidaci, což často vyžaduje doplňkové metody pro zvýšení výkonu.

Elektrochemická depozice:

Tato technika využívá elektrochemické reakce k nanášení karbidu křemíku z roztoku na povrch substrátu. Řízením potenciálu elektrody a složením roztoku prekurzoru lze dosáhnout rovnoměrného růstu povlaku. Povlaky z karbidu křemíku připravené touto metodou jsou použitelné ve specifických oblastech, jako jsou chemické/biologické senzory, fotovoltaická zařízení, elektrodové materiály pro lithium-iontové baterie a povlaky odolné proti korozi.

Potahování v kaši a slinování:

Tento způsob zahrnuje smíchání nátěrového materiálu s pojivy za účelem vytvoření kaše, která se rovnoměrně nanáší na povrch substrátu. Po vysušení se potažený obrobek slinuje při vysokých teplotách v inertní atmosféře, aby se vytvořil požadovaný povlak. Mezi jeho výhody patří jednoduchá a snadná obsluha a regulovatelná tloušťka povlaku, ale pevnost spojení mezi povlakem a substrátem je často slabší. Povlaky mají také špatnou odolnost proti tepelným šokům, nižší rovnoměrnost a nekonzistentní procesy, což je činí nevhodnými pro hromadnou výrobu.

Celkově výběr vhodné metody přípravy povlaku z karbidu křemíku vyžaduje komplexní zvážení požadavků na výkon, charakteristik substrátu a nákladů na základě scénáře aplikace.

4. Grafitové susceptory potažené SiC

Klíčové jsou grafitové susceptory potažené SiCProcesy organické chemické depozice z plynné fáze (MOCVD)., technika široce používaná pro přípravu tenkých filmů a povlaků v oblasti polovodičů, optoelektroniky a dalších materiálových věd.

Obrázek 3

5. Funkce grafitových substrátů potažených SiC v zařízení MOCVD

Grafitové substráty potažené SiC jsou klíčové v procesech metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD), což je technika široce používaná pro přípravu tenkých filmů a povlaků v oblasti polovodičů, optoelektroniky a dalších materiálových věd.

Obrázek 4:  Zařízení Semicorex CVD

Podpůrný nosič:V MOCVD mohou polovodičové materiály růst vrstvu po vrstvě na povrchu waferového substrátu a vytvářet tenké filmy se specifickými vlastnostmi a strukturami.Grafitový nosič potažený SiCfunguje jako nosný nosič a poskytuje robustní a stabilní platformu proepitaxepolovodičových tenkých vrstev. Vynikající tepelná stabilita a chemická inertnost povlaku SiC udržuje stabilitu substrátu ve vysokoteplotním prostředí, snižuje reakce s korozivními plyny a zajišťuje vysokou čistotu a konzistentní vlastnosti a struktury narostlých polovodičových filmů. Příklady zahrnují grafitové substráty potažené SiC pro epitaxní růst GaN v zařízení MOCVD, grafitové substráty potažené SiC pro epitaxní růst monokrystalického křemíku (ploché substráty, kulaté substráty, trojrozměrné substráty) a grafitové substráty potažené SiC proSiC epitaxní růst.

Tepelná stabilita a odolnost proti oxidaci:Proces MOCVD může zahrnovat vysokoteplotní reakce a oxidační plyny. Povlak SiC poskytuje grafitovému substrátu dodatečnou tepelnou stabilitu a ochranu proti oxidaci, čímž zabraňuje selhání nebo oxidaci v prostředí s vysokou teplotou. To je zásadní pro kontrolu a udržení konzistence růstu tenkého filmu.

Rozhraní materiálu a kontrola vlastností povrchu:Povlak SiC může ovlivnit interakce mezi filmem a substrátem, ovlivnit režimy růstu, přizpůsobení mřížky a kvalitu rozhraní. Úpravou vlastností povlaku SiC lze dosáhnout přesnějšího růstu materiálu a kontroly rozhraní, čímž se zlepší výkonepitaxní filmy.

Snížení znečištění nečistotami:Vysoká čistota povlaků SiC může minimalizovat kontaminaci nečistot z grafitových substrátů, což zajišťuje, žepěstované epitaxní filmymají požadovanou vysokou čistotu. To je zásadní pro výkon a spolehlivost polovodičových součástek.

Obrázek 5: SemicorexGrafitový receptor potažený SiCjako Wafer Carrier v epitaxi

Celkem,Grafitové substráty potažené SiCposkytují lepší podporu základny, tepelnou stabilitu a kontrolu rozhraní v procesech MOCVD, čímž podporují růst a přípravu vysoce kvalitníchepitaxní filmy.

6. Závěr a výhled

V současné době se výzkumné instituce v Číně věnují zlepšování výrobních procesůgrafitové susceptory potažené karbidem křemíku, zvýšení čistoty a jednotnosti povlaku a zvýšení kvality a životnosti povlaků SiC při současném snížení výrobních nákladů. Současně zkoumají způsoby, jak dosáhnout inteligentních výrobních procesů pro grafitové substráty potažené karbidem křemíku, aby se zlepšila efektivita výroby a kvalita produktů. Průmysl zvyšuje investice do industrializacegrafitové substráty potažené karbidem křemíku, zvýšení rozsahu výroby a kvality produktů, aby vyhovovaly požadavkům trhu. V poslední době výzkumné instituce a průmyslová odvětví aktivně zkoumají nové technologie nátěrů, jako je aplikaceTaC povlaky na grafitových susceptorechpro zlepšení tepelné vodivosti a odolnosti proti korozi.**

Semicorex nabízí vysoce kvalitní komponenty pro materiály potažené CVD SiC. Pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Kontaktní telefon +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com