Krótka historia węglika krzemu i zastosowania powłok z węglika krzemu

1. Rozwój SiC

W 1893 roku Edward Goodrich Acheson, odkrywca SiC, zaprojektował piec oporowy wykorzystujący materiały węglowe – znany jako piec Achesona – aby rozpocząć przemysłową produkcję węglika krzemu poprzez elektryczne ogrzewanie mieszaniny kwarcu i węgla. Później złożył patent na ten wynalazek.

Od początku do połowy XX wieku, ze względu na wyjątkową twardość i odporność na zużycie, węglik krzemu był stosowany przede wszystkim jako materiał ścierny w narzędziach szlifierskich i skrawających.

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku, wraz z pojawieniem siętechnologii chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).naukowcy tacy jak Rustum Roy z Bell Labs w Stanach Zjednoczonych byli pionierami badań nad technologią CVD SiC. Opracowali procesy osadzania z fazy gazowej SiC oraz przeprowadzili wstępne badania jego właściwości i zastosowań, w wyniku czego dokonano pierwszego osadzaniaPowłoki SiC na powierzchniach grafitowych. Praca ta położyła kluczowy fundament pod przygotowanie CVD materiałów powłokowych SiC.

W 1963 roku badacze z Bell Labs, Howard Wachtel i Joseph Wells, założyli CVD Incorporated, skupiając się na rozwoju technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej SiC i innych ceramicznych materiałów powłokowych. W 1974 roku osiągnęli pierwszą produkcję przemysłowąprodukty grafitowe pokryte węglikiem krzemu. Ten kamień milowy oznaczał znaczący postęp w technologii powłok z węglika krzemu na powierzchniach grafitowych, torując drogę do ich szerokiego zastosowania w takich dziedzinach, jak półprzewodniki, optyka i przemysł lotniczy.

W latach siedemdziesiątych XX wieku badacze z Union Carbide Corporation (obecnie spółki zależnej będącej w całości własnością Dow Chemical) po raz pierwszy zastosowalipodstawy grafitowe pokryte węglikiem krzemuwe wzroście epitaksjalnym materiałów półprzewodnikowych, takich jak azotek galu (GaN). Technologia ta miała kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej wydajnościDiody LED na bazie GaN(diody elektroluminescencyjne) i lasery, kładąc podwaliny pod kolejneTechnologia epitaksji z węglika krzemui stał się znaczącym kamieniem milowym w zastosowaniu materiałów z węglika krzemu w dziedzinie półprzewodników.

Od lat 80. XX wieku do początków XXI wieku postęp w technologiach produkcyjnych rozszerzył przemysłowe i komercyjne zastosowania powłok z węglika krzemu w przemyśle lotniczym i kosmicznym po motoryzację, energoelektronikę, sprzęt półprzewodnikowy i różne komponenty przemysłowe jako powłoki antykorozyjne.

Od początku XXI wieku do chwili obecnej rozwój natryskiwania cieplnego, PVD i nanotechnologii wprowadził nowe metody przygotowania powłok. Naukowcy rozpoczęli badanie i opracowywanie nanopowłok z węglika krzemu w celu dalszego zwiększenia wydajności materiałów.

Podsumowując, technologia przygotowania doPowłoki CVD z węglika krzemuw ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci przeszło od badań laboratoryjnych do zastosowań przemysłowych, osiągając ciągły postęp i przełomy.

2. Struktura kryształu SiC i obszary zastosowań

Węglik krzemu ma ponad 200 politypów, podzielonych głównie na trzy główne grupy w oparciu o ułożenie atomów węgla i krzemu: sześcienny (3C), sześciokątny (H) i romboedryczny ®. Typowe przykłady obejmują 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC i 15R-SiC. Można je ogólnie podzielić na dwa główne typy:

Figure 1: Crystal Structure of Silicon Carbide

α-SiC:Jest to struktura stabilna w wysokiej temperaturze i oryginalny typ struktury występujący w przyrodzie.

β-SiC:Jest to struktura stabilna w niskich temperaturach, którą można utworzyć w wyniku reakcji krzemu i węgla w temperaturze około 1450°C. β-SiC może przekształcić się w α-SiC w temperaturach pomiędzy 2100-2400°C.

Różne politypy SiC mają różne zastosowania. Na przykład 4H-SiC w α-SiC nadaje się do produkcji urządzeń o dużej mocy, podczas gdy 6H-SiC jest typem najbardziej stabilnym i jest stosowany w urządzeniach optoelektronicznych. β-SiC, poza tym, że jest stosowany w urządzeniach RF, jest również ważny jako cienka warstwa i materiał powłokowy w środowiskach o wysokiej temperaturze, dużym zużyciu i wysoce korozyjnym, zapewniając funkcje ochronne. β-SiC ma kilka zalet w porównaniu z α-SiC:

(1)Jego przewodność cieplna waha się w granicach 120-200 W/m·K, znacznie więcej niż 100-140 W/m·K α-SiC.

(2) β-SiC wykazuje wyższą twardość i odporność na zużycie.

(3) Pod względem odporności na korozję, podczas gdy α-SiC dobrze sprawdza się w środowiskach nieutleniających i lekko kwaśnych, β-SiC pozostaje stabilny w bardziej agresywnych warunkach utleniających i silnie zasadowych, wykazując swoją doskonałą odporność na korozję w szerszym zakresie środowisk chemicznych .

Dodatkowo współczynnik rozszerzalności cieplnej β-SiC jest bardzo zbliżony do współczynnika grafitu, co czyni go preferowanym materiałem do powłok powierzchniowych na bazie grafitu w urządzeniach do epitaksji płytek ze względu na te połączone właściwości.

3. Powłoki SiC i metody ich przygotowania

(1) Powłoki SiC

Powłoki SiC to cienkie warstwy utworzone z β-SiC, nakładane na powierzchnie podłoża za pomocą różnych procesów powlekania lub osadzania. Powłoki te są zwykle stosowane w celu zwiększenia twardości, odporności na zużycie, odporności na korozję, odporności na utlenianie i odporności na wysokie temperatury. Powłoki z węglika krzemu mają szerokie zastosowanie na różnych podłożach, takich jak ceramika, metale, szkło i tworzywa sztuczne, i są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, elektronicznym i innych dziedzinach.

Rysunek 2: Mikrostruktura przekroju poprzecznego powłoki SiC na powierzchni grafitu

(2)  Metody przygotowania

Główne metody wytwarzania powłok SiC obejmują chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD), techniki natryskiwania, osadzanie elektrochemiczne i spiekanie powłok zawiesinowych.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD):

CVD jest jedną z najczęściej stosowanych metod wytwarzania powłok z węglika krzemu. Podczas procesu CVD gazy prekursorowe zawierające krzem i węgiel wprowadzane są do komory reakcyjnej, gdzie rozkładają się w wysokich temperaturach, tworząc atomy krzemu i węgla. Atomy te adsorbują się na powierzchni podłoża i reagują, tworząc powłokę z węglika krzemu. Kontrolując kluczowe parametry procesu, takie jak natężenie przepływu gazu, temperaturę osadzania, ciśnienie osadzania i czas, grubość, stechiometria, wielkość ziaren, struktura kryształu i orientacja powłoki mogą być precyzyjnie dostosowane do specyficznych wymagań aplikacji. Kolejną zaletą tej metody jest jej przydatność do powlekania dużych i skomplikowanych podłoży o dobrej przyczepności i zdolności wypełniania. Jednakże prekursory i produkty uboczne stosowane w procesie CVD są często łatwopalne i żrące, co czyni produkcję niebezpieczną. Dodatkowo stopień wykorzystania surowca jest stosunkowo niski, a koszty jego przygotowania wysokie.

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD):

PVD polega na stosowaniu metod fizycznych, takich jak odparowanie termiczne lub napylanie magnetronowe w wysokiej próżni, w celu odparowania materiałów z węglika krzemu o wysokiej czystości i skondensowania ich na powierzchni podłoża, tworząc cienką warstwę. Metoda ta pozwala na precyzyjną kontrolę grubości i składu powłoki, wytwarzając gęste powłoki z węglika krzemu odpowiednie do zastosowań wymagających dużej precyzji, takich jak powłoki narzędzi skrawających, powłoki ceramiczne, powłoki optyczne i powłoki stanowiące barierę termiczną. Jednak osiągnięcie równomiernego pokrycia elementów o skomplikowanych kształtach, szczególnie w zagłębieniach lub obszarach zacienionych, stanowi wyzwanie. Dodatkowo przyczepność powłoki do podłoża może być niewystarczająca. Sprzęt PVD jest kosztowny ze względu na potrzebę stosowania drogich systemów wysokiej próżni i precyzyjnego sprzętu sterującego. Ponadto szybkość osadzania jest powolna, co skutkuje niską wydajnością produkcji, co czyni go nieodpowiednim do produkcji przemysłowej na dużą skalę.

Technika natryskiwania:

Polega to na natryskiwaniu płynnych materiałów na powierzchnię podłoża i utwardzaniu ich w określonych temperaturach w celu utworzenia powłoki. Metoda jest prosta i opłacalna, ale powstałe powłoki zazwyczaj wykazują słabą przyczepność do podłoża, gorszą jednorodność, cieńsze powłoki i niższą odporność na utlenianie, często wymagając dodatkowych metod w celu zwiększenia wydajności.

Osadzanie elektrochemiczne:

Technika ta wykorzystuje reakcje elektrochemiczne do osadzania węglika krzemu z roztworu na powierzchni podłoża. Kontrolując potencjał elektrody i skład roztworu prekursora, można osiągnąć równomierny wzrost powłoki. Powłoki z węglika krzemu wytworzone tą metodą mają zastosowanie w określonych dziedzinach, takich jak czujniki chemiczne/biologiczne, urządzenia fotowoltaiczne, materiały elektrodowe do akumulatorów litowo-jonowych i powłoki odporne na korozję.

Powlekanie zawiesiną i spiekanie:

Metoda ta polega na wymieszaniu materiału powłokowego ze spoiwami w celu wytworzenia zaczynu, który równomiernie rozprowadza się na powierzchni podłoża. Po wyschnięciu pokryty przedmiot obrabiany jest spiekany w wysokich temperaturach w obojętnej atmosferze w celu uzyskania pożądanej powłoki. Do jego zalet należy prosta i łatwa obsługa oraz kontrolowana grubość powłoki, jednak siła wiązania pomiędzy powłoką a podłożem jest często słabsza. Powłoki mają również słabą odporność na szok termiczny, niższą jednorodność i niespójne procesy, co czyni je nieodpowiednimi do produkcji masowej.

Ogólnie rzecz biorąc, wybór odpowiedniej metody przygotowania powłoki z węglika krzemu wymaga wszechstronnego rozważenia wymagań dotyczących wydajności, właściwości podłoża i kosztów w oparciu o scenariusz zastosowania.

4. Susceptory grafitowe pokryte SiC

Grafitowe susceptory pokryte SiC mają kluczowe znaczenieProcesy metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD)., technikę szeroko stosowaną do wytwarzania cienkich warstw i powłok w dziedzinie półprzewodników, optoelektroniki i innych nauk o materiałach.

Rysunek 3

5. Funkcje podłoży grafitowych pokrytych SiC w sprzęcie MOCVD

Podłoża grafitowe pokryte SiC mają kluczowe znaczenie w procesach metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD), techniki szeroko stosowanej do przygotowywania cienkich warstw i powłok w dziedzinie półprzewodników, optoelektroniki i innych nauk o materiałach.

Rysunek 4:  Sprzęt Semicorex CVD

Przewoźnik wspierający:W MOCVD materiały półprzewodnikowe mogą rosnąć warstwa po warstwie na powierzchni podłoża płytki, tworząc cienkie warstwy o określonych właściwościach i strukturze.Nośnik grafitowy pokryty SiCpełni funkcję nośnika nośnego, zapewniając solidną i stabilną platformę dlaepitaksjacienkich warstw półprzewodników. Doskonała stabilność termiczna i obojętność chemiczna powłoki SiC utrzymują stabilność podłoża w środowiskach o wysokiej temperaturze, redukując reakcje z gazami korozyjnymi oraz zapewniając wysoką czystość oraz spójne właściwości i strukturę hodowanych folii półprzewodnikowych. Przykłady obejmują podłoża grafitowe powlekane SiC do epitaksjalnego wzrostu GaN w sprzęcie MOCVD, podłoża grafitowe powlekane SiC do epitaksjalnego wzrostu monokrystalicznego krzemu (podłoża płaskie, podłoża okrągłe, podłoża trójwymiarowe) oraz podłoża grafitowe powlekane SiC doWzrost epitaksjalny SiC.

Stabilność termiczna i odporność na utlenianie:Proces MOCVD może obejmować reakcje wysokotemperaturowe i gazy utleniające. Powłoka SiC zapewnia dodatkową stabilność termiczną i ochronę przed utlenianiem podłoża grafitowego, zapobiegając uszkodzeniom lub utlenianiu w środowiskach o wysokiej temperaturze. Ma to kluczowe znaczenie dla kontrolowania i utrzymywania konsystencji wzrostu cienkiej warstwy.

Kontrola interfejsu materiału i właściwości powierzchni:Powłoka SiC może wpływać na interakcje pomiędzy folią a podłożem, wpływając na tryby wzrostu, dopasowanie sieci i jakość interfejsu. Dostosowując właściwości powłoki SiC, można uzyskać bardziej precyzyjną kontrolę wzrostu materiału i granicy faz, poprawiając wydajnośćfilmy epitaksjalne.

Zmniejszenie zanieczyszczenia zanieczyszczeniami:Wysoka czystość powłok SiC może zminimalizować zanieczyszczenie substratów grafitowych, zapewniając, żewyhodowanych filmów epitaksjalnychposiadają wymaganą wysoką czystość. Ma to kluczowe znaczenie dla wydajności i niezawodności urządzeń półprzewodnikowych.

Rysunek 5: SemicorexReceptor grafitowy pokryty SiCjako nośnik opłatków w epitaksji

W podsumowaniu,Podłoża grafitowe pokryte SiCzapewniają lepsze wsparcie bazy, stabilność termiczną i kontrolę interfejsu w procesach MOCVD, promując wzrost i przygotowanie wysokiej jakościfilmy epitaksjalne.

6. Wnioski i perspektywy

Obecnie instytucje badawcze w Chinach zajmują się ulepszaniem procesów produkcyjnychgrafitowe susceptory pokryte węglikiem krzemu, poprawiając czystość i jednorodność powłok oraz zwiększając jakość i żywotność powłok SiC przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji. Jednocześnie badają sposoby osiągnięcia inteligentnych procesów produkcyjnych podłoży grafitowych pokrytych węglikiem krzemu, aby poprawić wydajność produkcji i jakość produktu. Przemysł zwiększa inwestycje w industrializacjępodłoża grafitowe pokryte węglikiem krzemu, zwiększając skalę produkcji i jakość produktów, aby sprostać wymaganiom rynku. Ostatnio instytucje badawcze i przemysł aktywnie badają nowe technologie powlekania, takie jak zastosowaniePowłoki TaC na susceptorach grafitowych, w celu poprawy przewodności cieplnej i odporności na korozję.**

Semicorex oferuje wysokiej jakości komponenty do materiałów powlekanych CVD SiC. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Numer telefonu kontaktowego +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com