A szilícium-karbid rövid története és a szilícium-karbid bevonatok alkalmazása

1. SiC fejlesztése

1893-ban Edward Goodrich Acheson, a szilícium-karbamid felfedezője egy ellenállásos kemencét tervezett szén anyagok felhasználásával – az Acheson-kemencét –, hogy megkezdje a szilícium-karbid ipari előállítását kvarc és szén keverékének elektromos melegítésével. Ezt követően szabadalmat nyújtott be erre a találmányra.

A 20. század elejétől a XX. század közepéig a szilícium-karbidot kivételes keménysége és kopásállósága miatt elsősorban csiszoló- és vágószerszámok csiszolóanyagaként használták.

Az 1950-es és 1960-as években, megjelenésévelkémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) technológia, olyan tudósok, mint Rustum Roy az egyesült államokbeli Bell Labsnál, úttörő szerepet játszottak a CVD SiC technológia kutatásában. Kifejlesztették a szilícium-karbid gőzleválasztási eljárásait, és előzetes feltárásokat végeztek annak tulajdonságaival és alkalmazásaival kapcsolatban.SiC bevonatok grafit felületeken. Ez a munka döntő alapot teremtett a SiC bevonóanyagok CVD előkészítéséhez.

1963-ban a Bell Labs kutatói, Howard Wachtel és Joseph Wells megalapították a CVD Incorporated céget, amely a szilícium-karbid és más kerámia bevonóanyagok kémiai gőzleválasztási technológiáinak fejlesztésére összpontosított. 1974-ben érték el az első ipari termeléstszilícium-karbid bevonatú grafit termékek. Ez a mérföldkő jelentős előrelépést jelentett a grafitfelületek szilícium-karbid bevonatainak technológiájában, megnyitva az utat széleskörű alkalmazásuk előtt olyan területeken, mint a félvezetők, az optika és a repülőgépipar.

Az 1970-es években a Union Carbide Corporation (ma a Dow Chemical 100%-os tulajdonában lévő leányvállalata) kutatói először alkalmaztákszilícium-karbid bevonatú grafit alapokfélvezető anyagok, például gallium-nitrid (GaN) epitaxiális növekedésében. Ez a technológia kulcsfontosságú volt a nagy teljesítményű gyártáshozGaN alapú LED-ek(fénykibocsátó diódák) és lézerek, megalapozva a későbbieketszilícium-karbid epitaxiás technológiaés jelentős mérföldkővé vált a szilícium-karbid anyagok félvezető területen történő alkalmazásában.

Az 1980-as évektől a 21. század elejéig a gyártási technológiák fejlődése kiterjesztette a szilícium-karbid bevonatok ipari és kereskedelmi alkalmazását a repülőgépipartól az autóiparig, a teljesítményelektronikáig, a félvezető berendezésekig és a különböző ipari alkatrészekig, mint korróziógátló bevonatokig.

A 21. század elejétől napjainkig a termikus permetezés, a PVD és a nanotechnológia fejlődése új bevonat-előkészítési módszereket vezetett be. A kutatók megkezdték a nanoméretű szilícium-karbid bevonatok feltárását és fejlesztését az anyagteljesítmény további javítása érdekében.

Összefoglalva az előkészítési technológia aCVD szilícium-karbid bevonatokaz elmúlt néhány évtizedben a laboratóriumi kutatásról az ipari alkalmazásokra tért át, folyamatos fejlődést és áttörést ért el.

2. SiC kristályszerkezet és alkalmazási területek

A szilícium-karbidnak több mint 200 politípusa van, amelyek elsősorban három fő csoportba sorolhatók a szén- és szilíciumatomok halmozott elrendezése alapján: köbös (3C), hatszögletű (H) és romboéder ®. Gyakori példák a 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC és 15R-SiC. Ezek nagyjából két fő típusra oszthatók:

1. ábra: A szilícium-karbid kristályszerkezete

α-SiC:Ez a magas hőmérsékleten stabil szerkezet és a természetben előforduló eredeti szerkezettípus.

β-SiC:Ez az alacsony hőmérsékleten stabil szerkezet, amely szilícium és szén reagáltatásával 1450 °C körül alakulhat ki. A β-SiC 2100-2400°C közötti hőmérsékleten α-SiC-vé alakulhat át.

A különböző szilícium-karbid politípusok eltérő felhasználásúak. Például az α-SiC-ben lévő 4H-SiC alkalmas nagy teljesítményű eszközök gyártására, míg a 6H-SiC a legstabilabb típus, és optoelektronikai eszközökben használják. A β-SiC a rádiófrekvenciás eszközökben való felhasználása mellett vékony filmként és bevonóanyagként is fontos magas hőmérsékletű, kopásálló és erősen korrozív környezetben, védőfunkciókat biztosítva. A β-SiC számos előnnyel rendelkezik az α-SiC-vel szemben:

(1)Hővezető képessége 120-200 W/m·K között van, ami lényegesen magasabb, mint az α-SiC 100-140 W/m·K.

(2) A β-SiC nagyobb keménységgel és kopásállósággal rendelkezik.

(3) Ami a korrózióállóságot illeti, míg az α-SiC jól teljesít nem oxidáló és enyhén savas környezetben, a β-SiC stabil marad agresszívebb oxidáló és erősen lúgos körülmények között is, bizonyítva kiváló korrózióállóságát a kémiai környezetek szélesebb körében. .

Ezenkívül a β-SiC hőtágulási együtthatója szorosan megegyezik a grafit hőtágulási együtthatójával, így az ostya epitaxiás berendezésekben ez az előnyben részesített anyag a grafit alapok felületi bevonataihoz ezen kombinált tulajdonságok miatt.

3. SiC bevonatok és előállítási módszerek

(1) SiC bevonatok

A SiC bevonatok β-SiC-ből kialakított vékony filmek, amelyeket különféle bevonási vagy leválasztási eljárásokkal visznek fel a hordozófelületekre. Ezeket a bevonatokat általában a keménység, a kopásállóság, a korrózióállóság, az oxidációval szembeni ellenállás és a magas hőmérsékleti teljesítmény fokozására használják. A szilícium-karbid bevonatok széles körben alkalmazhatók különféle hordozókon, például kerámiákon, fémeken, üvegeken és műanyagokon, és széles körben használják a repülőgépiparban, az autógyártásban, az elektronikában és más területeken.

2. ábra: SiC bevonat keresztmetszeti mikroszerkezete grafitfelületen

(2)  Elkészítési módszerek

A SiC bevonatok elkészítésének fő módszerei közé tartozik a kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD), a fizikai gőzfázisú leválasztás (PVD), a permetezési technikák, az elektrokémiai leválasztás és az iszapos bevonat szinterezés.

Kémiai gőzleválasztás (CVD):

A CVD az egyik leggyakrabban használt módszer a szilícium-karbid bevonatok előállítására. A CVD-eljárás során szilícium- és széntartalmú prekurzor gázokat vezetnek be egy reakciókamrába, ahol magas hőmérsékleten lebomlanak, szilícium- és szénatomok keletkezése közben. Ezek az atomok adszorbeálódnak a hordozó felületén, és reakcióba lépve szilícium-karbid bevonatot képeznek. Az olyan kulcsfontosságú folyamatparaméterek szabályozásával, mint a gáz áramlási sebessége, leválasztási hőmérséklete, leválasztási nyomása és ideje, a bevonat vastagsága, sztöchiometriája, szemcsemérete, kristályszerkezete és orientációja pontosan testreszabható, hogy megfeleljen az adott alkalmazási követelményeknek. A módszer másik előnye, hogy alkalmas nagy és összetett formájú, jó tapadó- és töltőképességű aljzatok bevonására. A CVD-eljárásban használt prekurzorok és melléktermékek azonban gyakran gyúlékonyak és maró hatásúak, ami veszélyessé teszi a gyártást. Ezenkívül viszonylag alacsony a nyersanyag-felhasználási arány, és magasak az előkészítési költségek.

Fizikai gőzlerakódás (PVD):

A PVD olyan fizikai módszereket foglal magában, mint a termikus bepárlás vagy a magnetronos porlasztás nagy vákuumban a nagy tisztaságú szilícium-karbid anyagok elpárologtatására és a hordozó felületére történő kondenzálására, vékony filmet képezve. Ez a módszer lehetővé teszi a bevonat vastagságának és összetételének pontos szabályozását, és sűrű szilícium-karbid bevonatokat állít elő, amelyek alkalmasak nagy pontosságú alkalmazásokhoz, például vágószerszám-bevonatok, kerámiabevonatok, optikai bevonatok és hőzáró bevonatok. Az összetett alakú alkatrészek egységes lefedettségének elérése azonban, különösen a mélyedésekben vagy az árnyékolt területeken, kihívást jelent. Ezenkívül a bevonat és az aljzat közötti tapadás elégtelen lehet. A PVD-berendezések költségesek, mivel drága nagyvákuumrendszerekre és precíziós vezérlőberendezésekre van szükség. Ezenkívül a lerakódási sebesség lassú, ami alacsony termelési hatékonyságot eredményez, így alkalmatlan nagyüzemi ipari termelésre.

Permetezési technika:

Ez magában foglalja a folyékony anyagok permetezését az aljzat felületére, és meghatározott hőmérsékleten történő kikeményítését, hogy bevonatot képezzenek. A módszer egyszerű és költséghatékony, de a kapott bevonatok általában gyenge tapadást mutatnak az aljzathoz, gyengébb egyenletességet, vékonyabb bevonatot és alacsonyabb oxidációs ellenállást mutatnak, ami gyakran kiegészítő módszereket igényel a teljesítmény fokozása érdekében.

Elektrokémiai leválasztás:

Ez a technika elektrokémiai reakciókat alkalmaz a szilícium-karbid oldatból a hordozó felületére történő lerakására. Az elektródpotenciál és a prekurzor oldat összetételének szabályozásával egyenletes bevonatnövekedés érhető el. Az ezzel a módszerrel előállított szilícium-karbid bevonatok speciális területeken alkalmazhatók, például kémiai/biológiai érzékelők, fotovoltaikus eszközök, lítium-ion akkumulátorok elektródaanyagai és korrózióálló bevonatok.

Zagyos bevonat és szinterezés:

Ez a módszer magában foglalja a bevonóanyag és a kötőanyag összekeverését, és így iszap keletkezik, amelyet egyenletesen visznek fel a hordozó felületére. Szárítás után a bevont munkadarabot magas hőmérsékleten, inert atmoszférában szinterelik a kívánt bevonat kialakítása érdekében. Előnyei közé tartozik az egyszerű és könnyű kezelhetőség és a szabályozható bevonatvastagság, de a bevonat és a hordozó közötti kötési szilárdság gyakran gyengébb. A bevonatok gyenge hősokkállósággal, alacsonyabb egyenletességgel és inkonzisztens folyamatokkal rendelkeznek, így tömeggyártásra alkalmatlanok.

Összességében a megfelelő szilícium-karbid bevonat-előkészítési módszer kiválasztása megköveteli a teljesítménykövetelmények, az aljzat jellemzői és a költségek átfogó mérlegelését az alkalmazási forgatókönyv alapján.

4. SiC bevonatú grafit szuszceptorok

A SiC bevonatú grafit szuszceptorok kulcsfontosságúakFém szerves kémiai gőzfázisú leválasztási (MOCVD) eljárások, a félvezetők, az optoelektronika és más anyagtudományok területén széles körben használt technika vékony filmek és bevonatok előállítására.

3. ábra

5. SiC-bevonatú grafit szubsztrátumok funkciói MOCVD berendezésekben

A SiC-bevonatú grafit szubsztrátok kulcsfontosságúak a fémorganikus kémiai gőzleválasztási (MOCVD) eljárásokban, amelyek széles körben használatosak vékonyrétegek és bevonatok készítésére a félvezetők, az optoelektronika és más anyagtudományok területén.

4. ábra:  A Semicorex CVD-berendezés

Kisegítő fuvarozó:A MOCVD-ben a félvezető anyagok rétegről rétegre nőhetnek az ostya szubsztrátum felületén, és speciális tulajdonságokkal és szerkezetekkel rendelkező vékony filmeket képezhetnek.SiC bevonatú grafit hordozótartó hordozóként működik, robusztus és stabil platformot biztosítva aepitaxiafélvezető vékony filmekből. A SiC bevonat kiváló termikus stabilitása és kémiai tehetetlensége fenntartja az aljzat stabilitását magas hőmérsékletű környezetben, csökkenti a korrozív gázokkal való reakciókat, és biztosítja a kinőtt félvezető filmek nagy tisztaságát és állandó tulajdonságait és szerkezetét. A példák közé tartoznak a SiC bevonatú grafit szubsztrátok a GaN epitaxiális növekedéshez MOCVD berendezésekben, a SiC bevonatú grafit szubsztrátok az egykristályos szilícium epitaxiális növekedéshez (lapos szubsztrátok, kerek hordozók, háromdimenziós szubsztrátok) és a SiC bevonatú grafit szubsztrátokSiC epitaxiális növekedés.

Hőstabilitás és oxidációval szembeni ellenállás:A MOCVD folyamat magas hőmérsékletű reakciókat és oxidáló gázokat foglalhat magában. A SiC bevonat további hőstabilitást és oxidációs védelmet biztosít a grafit szubsztrátum számára, megakadályozva a meghibásodást vagy az oxidációt magas hőmérsékletű környezetben. Ez döntő fontosságú a vékonyréteg-növekedés konzisztenciájának ellenőrzéséhez és fenntartásához.

Anyagfelület és felületi tulajdonságok szabályozása:A SiC bevonat befolyásolhatja a film és a szubsztrát közötti kölcsönhatásokat, befolyásolva a növekedési módokat, a rácsillesztést és a felület minőségét. A SiC bevonat tulajdonságainak beállításával pontosabb anyagnövekedés és interfész szabályozás érhető el, javítva aepitaxiális filmek.

A szennyeződések szennyeződésének csökkentése:A SiC bevonatok nagy tisztasága minimálisra csökkentheti a grafit szubsztrátumokból származó szennyeződések szennyeződését, biztosítva, hogy atermesztett epitaxiális filmekrendelkezik a szükséges nagy tisztasággal. Ez létfontosságú a félvezető eszközök teljesítménye és megbízhatósága szempontjából.

5. ábra: A SemicorexSiC bevonatú grafitreceptormint Ostyahordozó az Epitaxyban

Összefoglalva,SiC bevonatú grafit hordozókjobb alaptámogatást, hőstabilitást és interfész-szabályozást biztosítanak a MOCVD-folyamatokban, elősegítve a növekedést és a kiváló minőség előkészítésétepitaxiális filmek.

6. Következtetés és kilátások

Jelenleg a kínai kutatóintézetek elkötelezettek a gyártási folyamatok javítása irántszilícium-karbid bevonatú grafit szuszceptorok, javítja a bevonat tisztaságát és egyenletességét, valamint növeli a SiC bevonatok minőségét és élettartamát, miközben csökkenti a gyártási költségeket. Ezzel egyidejűleg feltárják a szilícium-karbid bevonatú grafit szubsztrátumok intelligens gyártási folyamatainak megvalósításának módjait a termelés hatékonyságának és a termékminőség javításának érdekében. Az ipar növeli a beruházásokat az iparosításbaszilícium-karbid bevonatú grafit hordozók, a termelési méretek és a termékminőség javítása a piaci igények kielégítése érdekében. A közelmúltban a kutatóintézetek és az iparágak aktívan kutatják az új bevonási technológiákat, például a bevonat alkalmazásátTaC bevonatok grafit szuszceptorokon, a hővezető képesség és a korrózióállóság javítása érdekében.**

A Semicorex kiváló minőségű alkatrészeket kínál a CVD SiC bevonatú anyagokhoz. Ha kérdése van, vagy további részletekre van szüksége, kérjük, ne habozzon kapcsolatba lépni velünk.

Telefonszám: +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com