Коротка історія карбіду кремнію та застосування покриттів з карбіду кремнію

1. Розробка SiC

У 1893 році Едвард Гудріч Ачесон, першовідкривач SiC, сконструював резисторну піч з використанням вуглецевих матеріалів, відому як піч Ачесона, щоб розпочати промислове виробництво карбіду кремнію шляхом електричного нагрівання суміші кварцу та вуглецю. Згодом він подав патент на цей винахід.

З початку до середини 20-го століття, завдяки своїй винятковій твердості та зносостійкості, карбід кремнію в основному використовувався як абразив у шліфувальних і ріжучих інструментах.

Протягом 1950-1960-х років, з появою стехнологія хімічного осадження з газової фази (CVD)., такі вчені, як Рустум Рой з Bell Labs у Сполучених Штатах, започаткували дослідження технології CVD SiC. Вони розробили процеси осадження SiC з парової фази та провели попередні дослідження його властивостей і застосувань, досягнувши першого осадженняПокриття SiC на графітових поверхнях. Ця робота заклала вирішальну основу для отримання CVD матеріалів для покриття SiC.

У 1963 році дослідники Bell Labs Говард Вахтель і Джозеф Уеллс заснували CVD Incorporated, зосередившись на розробці технологій хімічного осадження з парової фази для SiC та інших матеріалів для керамічного покриття. У 1974 році вони досягли першого промислового виробництваграфітові вироби з покриттям з карбіду кремнію. Ця віха ознаменувала значний прогрес у технології покриттів з карбіду кремнію на графітових поверхнях, прокладаючи шлях для їх широкого застосування в таких галузях, як напівпровідники, оптика та аерокосмічна промисловість.

У 1970-х роках дослідники з Union Carbide Corporation (тепер це дочірня компанія Dow Chemical) вперше застосувалиграфітові основи, покриті карбідом кремніюпри епітаксіальному зростанні напівпровідникових матеріалів, таких як нітрид галію (GaN). Ця технологія мала вирішальне значення для високопродуктивного виробництваСвітлодіоди на основі GaN(світлодіоди) і лазери, закладаючи основу для наступнихтехнологія епітаксії карбіду кремніюі став важливою віхою в застосуванні матеріалів з карбіду кремнію в галузі напівпровідників.

З 1980-х до початку 21-го століття прогрес у виробничих технологіях розширив промислове та комерційне застосування покриттів з карбіду кремнію від аерокосмічної до автомобільної, силової електроніки, напівпровідникового обладнання та різних промислових компонентів як антикорозійних покриттів.

З початку 21 століття і до сьогодні розвиток термічного напилення, PVD та нанотехнологій запровадив нові методи підготовки покриттів. Дослідники почали досліджувати та розробляти нанорозмірні покриття з карбіду кремнію для подальшого покращення характеристик матеріалу.

Підсумовуючи технологію приготування доCVD покриття з карбіду кремніюза останні кілька десятиліть перейшла від лабораторних досліджень до промислового застосування, досягаючи постійного прогресу та проривів.

2. Кристалічна структура SiC і області застосування

Карбід кремнію має понад 200 політипів, які в основному поділяються на три основні групи на основі розташування атомів вуглецю та кремнію: кубічні (3C), гексагональні (H) і ромбоедричні ®. Типовими прикладами є 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC і 15R-SiC. Їх можна умовно розділити на два основні типи:

Рисунок 1: Кристалічна структура карбіду кремнію

α-SiC:Це високотемпературна стабільна структура та оригінальний структурний тип, який зустрічається в природі.

β-SiC:Це низькотемпературна стабільна структура, яка може бути утворена реакцією кремнію та вуглецю при температурі близько 1450°C. β-SiC може перетворюватися на α-SiC при температурах між 2100-2400°C.

Різні політипи SiC мають різне використання. Наприклад, 4H-SiC в α-SiC підходить для виробництва потужних пристроїв, тоді як 6H-SiC є найбільш стабільним типом і використовується в оптоелектронних пристроях. β-SiC, окрім використання в радіочастотних пристроях, також важливий як тонка плівка та матеріал покриття у високотемпературних, зносостійких та висококорозійних середовищах, забезпечуючи захисні функції. β-SiC має кілька переваг перед α-SiC:

(1)Його теплопровідність становить 120-200 Вт/м·K, що значно вище, ніж у α-SiC 100-140 Вт/м·K.

(2) β-SiC демонструє вищу твердість і зносостійкість.

(3) З точки зору стійкості до корозії, у той час як α-SiC добре працює в неокислюючих і помірно кислих середовищах, β-SiC залишається стабільним у більш агресивних окисних і сильних лужних умовах, демонструючи свою чудову корозійну стійкість у більш широкому діапазоні хімічних середовищ. .

Крім того, коефіцієнт теплового розширення β-SiC майже відповідає коефіцієнту теплового розширення графіту, що робить його кращим матеріалом для поверхневих покриттів на основі графіту в обладнанні для епітаксії пластин завдяки цим сукупним властивостям.

3. SiC покриття та методи приготування

(1) SiC покриття

Покриття SiC – це тонкі плівки, сформовані з β-SiC, нанесені на поверхні підкладки за допомогою різних процесів нанесення покриття або осадження. Ці покриття зазвичай використовуються для підвищення твердості, зносостійкості, стійкості до корозії, стійкості до окислення та високотемпературних характеристик. Покриття з карбіду кремнію мають широке застосування на різних підкладках, таких як кераміка, метали, скло та пластик, і широко використовуються в аерокосмічній промисловості, автомобільному виробництві, електроніці та інших галузях.

Рисунок 2: Мікроструктура поперечного перерізу покриття SiC на поверхні графіту

(2)  Способи приготування

Основні методи виготовлення покриттів SiC включають хімічне осадження з парової фази (CVD), фізичне осадження з парової фази (PVD), методи напилення, електрохімічне осадження та спікання суспензійного покриття.

Хімічне осадження з парової фази (CVD):

CVD є одним із найбільш часто використовуваних методів для отримання покриттів з карбіду кремнію. Під час процесу CVD гази-попередники, що містять кремній і вуглець, вводяться в реакційну камеру, де вони розкладаються при високих температурах з утворенням атомів кремнію і вуглецю. Ці атоми адсорбуються на поверхні підкладки та реагують, утворюючи покриття з карбіду кремнію. Контролюючи ключові параметри процесу, такі як швидкість потоку газу, температура осадження, тиск осадження та час, товщину, стехіометрію, розмір зерен, кристалічну структуру та орієнтацію покриття можна точно підібрати відповідно до конкретних вимог застосування. Ще однією перевагою цього методу є його придатність для покриття великих і складних за формою підкладок з хорошою адгезією та здатністю до заповнення. Однак прекурсори та побічні продукти, які використовуються в процесі CVD, часто є легкозаймистими та корозійними, що робить виробництво небезпечним. Крім того, коефіцієнт використання сировини відносно низький, а витрати на підготовку високі.

Фізичне осадження з парової фази (PVD):

PVD передбачає використання таких фізичних методів, як термічне випаровування або магнетронне розпилення під високим вакуумом, для випаровування матеріалів карбіду кремнію високої чистоти та конденсації їх на поверхні підкладки, утворюючи тонку плівку. Цей метод дозволяє точно контролювати товщину та склад покриття, створюючи щільні покриття з карбіду кремнію, придатні для високоточних застосувань, таких як покриття для ріжучих інструментів, керамічних покриттів, оптичних покриттів та теплових бар’єрних покриттів. Однак досягти рівномірного покриття компонентів складної форми, особливо в поглибленнях або затінених областях, є складним завданням. Крім того, адгезія між покриттям і основою може бути недостатньою. Обладнання PVD є дорогим через потребу в дорогих високовакуумних системах і прецизійному контрольному обладнанні. Крім того, швидкість осадження повільна, що призводить до низької ефективності виробництва, що робить його непридатним для великомасштабного промислового виробництва.

Техніка обприскування:

Це передбачає розпилення рідких матеріалів на поверхню підкладки та їх затвердіння при певних температурах для утворення покриття. Метод є простим і економічно ефективним, але отримані покриття зазвичай демонструють слабку адгезію до основи, гіршу однорідність, тонші покриття та нижчу стійкість до окислення, що часто потребує додаткових методів для підвищення ефективності.

Електрохімічне осадження:

Ця техніка використовує електрохімічні реакції для осадження карбіду кремнію з розчину на поверхню підкладки. Контролюючи потенціал електрода та склад розчину прекурсора, можна досягти рівномірного росту покриття. Покриття з карбіду кремнію, отримані за допомогою цього методу, застосовуються в певних сферах, таких як хімічні/біологічні сенсори, фотоелектричні пристрої, електродні матеріали для літій-іонних батарей і корозійно-стійкі покриття.

Нанесення суспензії та спікання:

Цей метод передбачає змішування матеріалу покриття зі зв’язуючими для створення суспензії, яка рівномірно наноситься на поверхню основи. Після сушіння заготовка з покриттям спікається при високих температурах в інертній атмосфері для формування бажаного покриття. Його переваги включають просту та легку експлуатацію та регульовану товщину покриття, але міцність зв’язку між покриттям і підкладкою часто слабша. Покриття також мають низьку стійкість до термічного удару, меншу однорідність і суперечливі процеси, що робить їх непридатними для масового виробництва.

Загалом, вибір відповідного методу підготовки покриття з карбіду кремнію вимагає комплексного розгляду вимог до продуктивності, характеристик підкладки та вартості на основі сценарію застосування.

4. Графітові токоприймачі з SiC-покриттям

Графітові електроприймачі з SiC-покриттям мають вирішальне значенняПроцеси металоорганічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD)., метод, який широко використовується для отримання тонких плівок і покриттів у галузях напівпровідників, оптоелектроніки та інших наук про матеріали.

малюнок 3

5. Функції графітових підкладок із SiC-покриттям в обладнанні MOCVD

Графітові підкладки з SiC-покриттям мають вирішальне значення в процесах хімічного осадження з парової фази органічних металів (MOCVD), технології, яка широко використовується для виготовлення тонких плівок і покриттів у галузі напівпровідників, оптоелектроніки та інших наук про матеріали.

Малюнок 4: Обладнання Semicorex CVD

Допоміжний оператор:У MOCVD напівпровідникові матеріали можуть рости шар за шаром на поверхні підкладки пластини, утворюючи тонкі плівки зі специфічними властивостями та структурою.Графітовий носій із покриттям SiCдіє як допоміжний носій, забезпечуючи надійну та стабільну платформу дляепітаксіянапівпровідникових тонких плівок. Чудова термічна стабільність і хімічна інертність покриття SiC зберігають стабільність підкладки в середовищі з високими температурами, зменшуючи реакції з корозійними газами та забезпечуючи високу чистоту та постійні властивості та структуру вирощених напівпровідникових плівок. Приклади включають графітові підкладки з покриттям SiC для епітаксійного вирощування GaN в обладнанні MOCVD, графітові підкладки з покриттям SiC для епітаксійного вирощування монокристалів кремнію (плоскі підкладки, круглі підкладки, тривимірні підкладки) і графітові підкладки з покриттям SiC дляЕпітаксійне зростання SiC.

Термічна стабільність і стійкість до окислення:Процес MOCVD може включати високотемпературні реакції та окислювальні гази. Покриття SiC забезпечує додаткову термічну стабільність і захист від окислення для графітової підкладки, запобігаючи поломці або окисленню в середовищі з високою температурою. Це має вирішальне значення для контролю та підтримки сталості росту тонкої плівки.

Інтерфейс матеріалу та контроль властивостей поверхні:Покриття SiC може впливати на взаємодію між плівкою та підкладкою, впливаючи на режими росту, узгодження решітки та якість інтерфейсу. Шляхом регулювання властивостей покриття SiC можна досягти більш точного росту матеріалу та контролю межі розділу, покращуючи продуктивністьепітаксіальні плівки.

Зменшення забруднення домішками:Висока чистота покриттів SiC може мінімізувати забруднення домішок із графітових підкладок, гарантуючи, щовирощені епітаксіальні плівкимають необхідну високу чистоту. Це життєво важливо для продуктивності та надійності напівпровідникових приладів.

Малюнок 5: SemicorexГрафітовий рецептор із покриттям SiCяк пластинчастий носій в епітаксії

Таким чином,Графітові підкладки з покриттям SiCзабезпечують кращу базову підтримку, термічну стабільність і контроль інтерфейсу в процесах MOCVD, сприяючи зростанню та підготовці високоякіснихепітаксіальні плівки.

6. Висновок і прогноз

В даний час дослідницькі установи в Китаї займаються вдосконаленням виробничих процесівграфітові фіксатори з покриттям з карбіду кремнію, підвищуючи чистоту та однорідність покриття, а також збільшуючи якість і термін служби покриттів SiC, одночасно знижуючи витрати на виробництво. Одночасно вони досліджують шляхи досягнення інтелектуальних виробничих процесів для графітових підкладок, покритих карбідом кремнію, для підвищення ефективності виробництва та якості продукції. Промисловість збільшує інвестиції в індустріалізацію Росіїграфітові підкладки з покриттям з карбіду кремнію, підвищення масштабів виробництва та якості продукції для задоволення потреб ринку. Останнім часом науково-дослідні установи та галузі промисловості активно вивчають нові технології покриття, наприклад нанесенняПокриття TaC на графітових фіксаторах, для покращення теплопровідності та стійкості до корозії.**

Semicorex пропонує високоякісні компоненти для CVD матеріалів із покриттям SiC. Якщо у вас є запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com