En kort historie om silisiumkarbid og anvendelser av silisiumkarbidbelegg

1. Utvikling av SiC

I 1893 designet Edward Goodrich Acheson, oppdageren av SiC, en motstandsovn ved bruk av karbonmaterialer - kjent som Acheson-ovnen - for å starte industriell produksjon av silisiumkarbid ved elektrisk oppvarming av en blanding av kvarts og karbon. Deretter søkte han patent på denne oppfinnelsen.

Fra tidlig til midten av 1900-tallet, på grunn av sin eksepsjonelle hardhet og slitestyrke, ble silisiumkarbid først og fremst brukt som slipemiddel i slipe- og skjæreverktøy.

I løpet av 1950- og 1960-årene, med ankomsten avkjemisk dampavsetning (CVD) teknologi, banebrytende forskere som Rustum Roy ved Bell Labs i USA forskning på CVD SiC-teknologi. De utviklet SiC-dampavsetningsprosesser og utførte foreløpige undersøkelser av dets egenskaper og anvendelser, og oppnådde den første avsetningen avSiC-belegg på grafittoverflater. Dette arbeidet la et avgjørende grunnlag for CVD-preparering av SiC-beleggsmaterialer.

I 1963 grunnla Bell Labs-forskerne Howard Wachtel og Joseph Wells CVD Incorporated, med fokus på utviklingen av kjemiske dampavsetningsteknologier for SiC og andre keramiske beleggmaterialer. I 1974 oppnådde de den første industrielle produksjonen avsilisiumkarbidbelagte grafittprodukter. Denne milepælen markerte betydelige fremskritt innen teknologien for silisiumkarbidbelegg på grafittoverflater, og banet vei for deres utbredte anvendelse innen felt som halvledere, optikk og romfart.

På 1970-tallet søkte forskere ved Union Carbide Corporation (nå et heleid datterselskap av Dow Chemical) førstsilisiumkarbidbelagte grafittbaseri epitaksial vekst av halvledermaterialer som galliumnitrid (GaN). Denne teknologien var avgjørende for å produsere høy ytelseGaN-baserte lysdioder(lysemitterende dioder) og lasere, legger grunnlaget for påfølgendesilisiumkarbid epitaksi-teknologiog bli en betydelig milepæl i anvendelsen av silisiumkarbidmaterialer i halvlederfeltet.

Fra 1980-tallet til begynnelsen av det 21. århundre utvidet fremskritt innen produksjonsteknologi de industrielle og kommersielle bruksområdene for silisiumkarbidbelegg fra romfart til bilindustrien, kraftelektronikk, halvlederutstyr og ulike industrielle komponenter som anti-korrosjonsbelegg.

Fra det tidlige 21. århundre til i dag har utviklingen av termisk sprøyting, PVD og nanoteknologi introdusert nye beleggforberedelsesmetoder. Forskere begynte å utforske og utvikle silisiumkarbidbelegg i nanoskala for å forbedre materialytelsen ytterligere.

Oppsummert kan forberedelsesteknologien forCVD silisiumkarbidbelegghar gått over fra laboratorieforskning til industrielle applikasjoner i løpet av de siste tiårene, og oppnådd kontinuerlig fremgang og gjennombrudd.

2. SiC-krystallstruktur og bruksfelt

Silisiumkarbid har over 200 polytyper, primært kategorisert i tre hovedgrupper basert på stablingsarrangementet av karbon- og silisiumatomer: kubisk (3C), sekskantet (H) og rhombohedral ®. Vanlige eksempler inkluderer 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC og 15R-SiC. Disse kan grovt sett deles inn i to hovedtyper:

Figur 1: Krystallstruktur av silisiumkarbid

α-SiC:Dette er den høytemperaturstabile strukturen og den opprinnelige strukturtypen som finnes i naturen.

β-SiC:Dette er den stabile strukturen ved lav temperatur, som kan dannes ved å reagere silisium og karbon ved rundt 1450°C. β-SiC kan omdannes til α-SiC ved temperaturer mellom 2100-2400°C.

Ulike SiC-polytyper har forskjellige bruksområder. For eksempel er 4H-SiC i α-SiC egnet for produksjon av høyeffektsenheter, mens 6H-SiC er den mest stabile typen og brukes i optoelektroniske enheter. β-SiC, bortsett fra å bli brukt i RF-enheter, er også viktig som en tynn film og beleggmateriale i høye temperaturer, høy slitasje og svært korrosive miljøer, og gir beskyttende funksjoner. β-SiC har flere fordeler fremfor α-SiC:

(1)Dens varmeledningsevne varierer mellom 120-200 W/m·K, betydelig høyere enn α-SiCs 100-140 W/m·K.

(2) β-SiC viser høyere hardhet og slitestyrke.

(3) Når det gjelder korrosjonsbestandighet, mens α-SiC fungerer godt i ikke-oksiderende og mildt sure miljøer, forblir β-SiC stabil under mer aggressive oksiderende og sterkt alkaliske forhold, og demonstrerer sin overlegne korrosjonsbestandighet over et bredere spekter av kjemiske miljøer .

I tillegg samsvarer β-SiCs termiske ekspansjonskoeffisient nært med grafitten, noe som gjør det til det foretrukne materialet for overflatebelegg på grafittbaser i waferepitaksiutstyr på grunn av disse kombinerte egenskapene.

3. SiC-belegg og tilberedningsmetoder

(1) SiC belegg

SiC-belegg er tynne filmer dannet av β-SiC, påført substratoverflater gjennom forskjellige belegnings- eller avsetningsprosesser. Disse beleggene brukes vanligvis for å forbedre hardhet, slitestyrke, korrosjonsmotstand, oksidasjonsmotstand og ytelse ved høye temperaturer. Silisiumkarbidbelegg har brede bruksområder på tvers av forskjellige underlag som keramikk, metaller, glass og plast, og er mye brukt i romfart, bilproduksjon, elektronikk og andre felt.

Figur 2: Tverrsnittsmikrostruktur av SiC-belegg på grafittoverflate

(2)  Forberedelsesmetoder

Hovedmetodene for fremstilling av SiC-belegg inkluderer kjemisk dampavsetning (CVD), fysisk dampavsetning (PVD), sprøyteteknikker, elektrokjemisk avsetning og sintring av slambelegg.

Kjemisk dampavsetning (CVD):

CVD er en av de mest brukte metodene for fremstilling av silisiumkarbidbelegg. Under CVD-prosessen blir silisium- og karbonholdige forløpergasser introdusert i et reaksjonskammer, hvor de spaltes ved høye temperaturer for å produsere silisium og karbonatomer. Disse atomene adsorberer på substratoverflaten og reagerer for å danne silisiumkarbidbelegget. Ved å kontrollere nøkkelprosessparametere som gassstrømningshastighet, avsetningstemperatur, avsetningstrykk og tid, kan tykkelsen, støkiometrien, kornstørrelsen, krystallstrukturen og orienteringen til belegget skreddersys nøyaktig for å møte spesifikke applikasjonskrav. En annen fordel med denne metoden er dens egnethet for å belegge store og kompleksformede underlag med god vedheft og fyllingsevne. Imidlertid er forløperne og biproduktene som brukes i CVD-prosessen ofte brennbare og etsende, noe som gjør produksjonen farlig. I tillegg er råvareutnyttelsesgraden relativt lav, og tilberedningskostnadene er høye.

Fysisk dampavsetning (PVD):

PVD innebærer å bruke fysiske metoder som termisk fordampning eller magnetronforstøvning under høyvakuum for å fordampe silisiumkarbidmaterialer med høy renhet og kondensere dem på underlagets overflate, og danner en tynn film. Denne metoden gir presis kontroll over beleggets tykkelse og sammensetning, og produserer tette silisiumkarbidbelegg som er egnet for høypresisjonsapplikasjoner som skjæreverktøybelegg, keramiske belegg, optiske belegg og termiske barrierebelegg. Det er imidlertid utfordrende å oppnå jevn dekning på kompleksformede komponenter, spesielt i utsparinger eller skyggelagte områder. I tillegg kan adhesjonen mellom belegget og underlaget være utilstrekkelig. PVD-utstyr er kostbart på grunn av behovet for dyre høyvakuumsystemer og presisjonskontrollutstyr. Videre er avsetningshastigheten langsom, noe som resulterer i lav produksjonseffektivitet, noe som gjør den uegnet for storskala industriell produksjon.

Sprøyteteknikk:

Dette innebærer å spraye flytende materialer på underlagets overflate og herde dem ved spesifikke temperaturer for å danne et belegg. Metoden er enkel og kostnadseffektiv, men de resulterende beleggene viser vanligvis svak vedheft til underlaget, dårligere jevnhet, tynnere belegg og lavere oksidasjonsmotstand, noe som ofte krever supplerende metoder for å forbedre ytelsen.

Elektrokjemisk avsetning:

Denne teknikken bruker elektrokjemiske reaksjoner for å avsette silisiumkarbid fra en løsning på substratoverflaten. Ved å kontrollere elektrodepotensialet og sammensetningen av forløperløsningen kan jevn beleggvekst oppnås. Silisiumkarbidbelegg tilberedt med denne metoden er anvendelige på spesifikke områder som kjemiske/biologiske sensorer, fotovoltaiske enheter, elektrodematerialer for litiumionbatterier og korrosjonsbestandige belegg.

Slambelegg og sintring:

Denne metoden innebærer å blande beleggmaterialet med bindemidler for å lage en slurry, som påføres jevnt på underlagets overflate. Etter tørking sintres det belagte arbeidsstykket ved høye temperaturer i en inert atmosfære for å danne det ønskede belegget. Fordelene inkluderer enkel og enkel betjening og kontrollerbar beleggtykkelse, men bindestyrken mellom belegget og underlaget er ofte svakere. Beleggene har også dårlig motstand mot termisk sjokk, lavere jevnhet og inkonsekvente prosesser, noe som gjør dem uegnet for masseproduksjon.

Samlet sett krever valg av passende silisiumkarbidbeleggprepareringsmetode en omfattende vurdering av ytelseskravene, underlagets egenskaper og kostnader basert på påføringsscenarioet.

4. SiC-belagte grafittsusceptorer

SiC-belagte grafittsusceptorer er avgjørende iMetal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) prosesser, en teknikk som er mye brukt for å fremstille tynne filmer og belegg innen halvledere, optoelektronikk og annen materialvitenskap.

Figur 3

5. Funksjoner av SiC-belagte grafittsubstrater i MOCVD-utstyr

SiC-belagte grafittsubstrater er avgjørende i Metal Organic Chemical Vapor Deposition-prosesser (MOCVD), en teknikk som er mye brukt for å fremstille tynne filmer og belegg innen halvledere, optoelektronikk og annen materialvitenskap.

Figur 4: Semicorex CVD-utstyret

Støtteoperatør:I MOCVD kan halvledermaterialer vokse lag for lag på wafersubstratoverflaten, og danne tynne filmer med spesifikke egenskaper og strukturer.Den SiC-belagte grafittbærerenfungerer som en støttebærer, og gir en robust og stabil plattform forepitaksiav halvleder-tynne filmer. Den utmerkede termiske stabiliteten og kjemiske tregheten til SiC-belegget opprettholder substratets stabilitet i høytemperaturmiljøer, reduserer reaksjoner med korrosive gasser, og sikrer høy renhet og konsistente egenskaper og strukturer til de dyrkede halvlederfilmene. Eksempler inkluderer SiC-belagte grafittsubstrater for GaN epitaksial vekst i MOCVD-utstyr, SiC-belagte grafittsubstrater for enkrystall silisiumepitaksial vekst (flate substrater, runde substrater, tredimensjonale substrater) og SiC-belagte grafittsubstrater forSiC epitaksial vekst.

Termisk stabilitet og oksidasjonsmotstand:MOCVD-prosessen kan involvere høytemperaturreaksjoner og oksiderende gasser. SiC-belegget gir ekstra termisk stabilitet og oksidasjonsbeskyttelse for grafittsubstratet, og forhindrer svikt eller oksidasjon i miljøer med høy temperatur. Dette er avgjørende for å kontrollere og opprettholde konsistensen av tynnfilmvekst.

Kontroll av materialgrensesnitt og overflateegenskaper:SiC-belegget kan påvirke interaksjoner mellom filmen og underlaget, påvirke vekstmoduser, gittertilpasning og grensesnittkvalitet. Ved å justere egenskapene til SiC-belegget, kan mer presis materialvekst og grensesnittkontroll oppnås, noe som forbedrer ytelsen tilepitaksiale filmer.

Reduserer urenheter:Den høye renheten til SiC-belegg kan minimere forurensning av urenheter fra grafittsubstrater, og sikre atdyrkede epitaksiale filmerha den nødvendige høye renheten. Dette er avgjørende for ytelsen og påliteligheten til halvlederenheter.

Figur 5: SemicorexenSiC-belagt grafittreseptorsom Wafer Carrier i Epitaxy

Oppsummert,SiC-belagte grafittunderlaggi bedre basestøtte, termisk stabilitet og grensesnittkontroll i MOCVD-prosesser, fremme vekst og forberedelse av høykvalitetsepitaksiale filmer.

6. Konklusjon og utsikter

For tiden er forskningsinstitusjoner i Kina dedikert til å forbedre produksjonsprosessenesilisiumkarbidbelagte grafittsusceptorer, forbedrer beleggets renhet og enhetlighet, og øker kvaliteten og levetiden til SiC-belegg samtidig som produksjonskostnadene reduseres. Samtidig utforsker de måter å oppnå intelligente produksjonsprosesser for silisiumkarbidbelagte grafittsubstrater for å forbedre produksjonseffektiviteten og produktkvaliteten. Næringen øker investeringene i industrialiseringen avsilisiumkarbidbelagte grafittsubstrater, forbedre produksjonsskala og produktkvalitet for å møte markedets krav. Nylig har forskningsinstitusjoner og industrier aktivt utforsket nye beleggsteknologier, for eksempel bruk avTaC-belegg på grafittsusceptorer, for å forbedre termisk ledningsevne og korrosjonsmotstand.**

Semicorex tilbyr komponenter av høy kvalitet for CVD SiC-belagte materialer. Hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakt telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com