Sejarah Ringkas Silikon Karbida dan Aplikasi Salutan Silikon Karbida

1. Pembangunan SiC

Pada tahun 1893, Edward Goodrich Acheson, penemu SiC, mereka bentuk relau perintang menggunakan bahan karbon—dikenali sebagai relau Acheson—untuk memulakan pengeluaran perindustrian silikon karbida dengan memanaskan elektrik campuran kuarza dan karbon. Beliau kemudiannya memfailkan paten untuk ciptaan ini.

Dari awal hingga pertengahan abad ke-20, kerana kekerasannya yang luar biasa dan rintangan haus, silikon karbida digunakan terutamanya sebagai pelelas dalam alat pengisar dan pemotong.

Semasa tahun 1950-an dan 1960-an, dengan kedatanganteknologi pemendapan wap kimia (CVD)., saintis seperti Rustum Roy di Bell Labs di Amerika Syarikat mempelopori penyelidikan ke dalam teknologi CVD SiC. Mereka membangunkan proses pemendapan wap SiC dan menjalankan penerokaan awal ke dalam sifat dan aplikasinya, mencapai pemendapan pertamaSalutan SiC pada permukaan grafit. Kerja ini meletakkan asas penting untuk penyediaan CVD bahan salutan SiC.

Pada tahun 1963, penyelidik Bell Labs Howard Wachtel dan Joseph Wells mengasaskan CVD Incorporated, memfokuskan pada pembangunan teknologi pemendapan wap kimia untuk SiC dan bahan salutan seramik yang lain. Pada tahun 1974, mereka mencapai pengeluaran perindustrian pertamaproduk grafit bersalut silikon karbida. Pencapaian ini menandakan kemajuan ketara dalam teknologi salutan silikon karbida pada permukaan grafit, membuka jalan untuk aplikasi meluas dalam bidang seperti semikonduktor, optik dan aeroangkasa.

Pada tahun 1970-an, penyelidik di Union Carbide Corporation (kini anak syarikat milik penuh Dow Chemical) mula-mula memohonasas grafit bersalut silikon karbidadalam pertumbuhan epitaxial bahan semikonduktor seperti galium nitrida (GaN). Teknologi ini penting untuk pembuatan berprestasi tinggiLED berasaskan GaN(diod pemancar cahaya) dan laser, meletakkan asas untuk yang berikutnyateknologi epitaksi silikon karbidadan menjadi peristiwa penting dalam penggunaan bahan silikon karbida dalam bidang semikonduktor.

Dari 1980-an hingga awal abad ke-21, kemajuan dalam teknologi pembuatan memperluaskan aplikasi perindustrian dan komersil salutan silikon karbida daripada aeroangkasa kepada automotif, elektronik kuasa, peralatan semikonduktor dan pelbagai komponen industri sebagai salutan anti-karat.

Dari awal abad ke-21 hingga kini, pembangunan penyemburan haba, PVD, dan nanoteknologi telah memperkenalkan kaedah penyediaan salutan baharu. Penyelidik mula meneroka dan membangunkan salutan silikon karbida skala nano untuk meningkatkan lagi prestasi bahan.

Secara ringkasnya, teknologi penyediaan untukSalutan silikon karbida CVDtelah beralih daripada penyelidikan makmal kepada aplikasi perindustrian sejak beberapa dekad yang lalu, mencapai kemajuan dan penemuan berterusan.

2. Bidang Struktur dan Aplikasi Kristal SiC

Silikon karbida mempunyai lebih 200 politaip, terutamanya dikategorikan kepada tiga kumpulan utama berdasarkan susunan penyusunan atom karbon dan silikon: padu (3C), heksagon (H), dan rombohedral ®. Contoh biasa termasuk 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC dan 15R-SiC. Ini boleh dibahagikan secara meluas kepada dua jenis utama:

Rajah 1: Struktur Kristal Silikon Karbida

α-SiC:Ini ialah struktur stabil suhu tinggi dan jenis struktur asal yang terdapat di alam semula jadi.

β-SiC:Ini adalah struktur stabil suhu rendah, yang boleh dibentuk dengan bertindak balas silikon dan karbon pada sekitar 1450°C. β-SiC boleh berubah menjadi α-SiC pada suhu antara 2100-2400°C.

Politip SiC yang berbeza mempunyai kegunaan yang berbeza. Sebagai contoh, 4H-SiC dalam α-SiC sesuai untuk mengeluarkan peranti berkuasa tinggi, manakala 6H-SiC ialah jenis yang paling stabil dan digunakan dalam peranti optoelektronik. β-SiC, selain daripada digunakan dalam peranti RF, juga penting sebagai filem nipis dan bahan salutan dalam persekitaran suhu tinggi, haus tinggi dan sangat menghakis, memberikan fungsi perlindungan. β-SiC mempunyai beberapa kelebihan berbanding α-SiC:

(1)Kekonduksian termanya berjulat antara 120-200 W/m·K, jauh lebih tinggi daripada α-SiC 100-140 W/m·K.

(2) β-SiC mempamerkan kekerasan dan rintangan haus yang lebih tinggi.

(3) Dari segi rintangan kakisan, manakala α-SiC berprestasi baik dalam persekitaran tidak mengoksida dan sedikit berasid, β-SiC kekal stabil di bawah keadaan pengoksidaan yang lebih agresif dan beralkali kuat, menunjukkan rintangan kakisannya yang unggul merentas julat persekitaran kimia yang lebih luas. .

Selain itu, pekali pengembangan haba β-SiC hampir sepadan dengan grafit, menjadikannya bahan pilihan untuk salutan permukaan pada asas grafit dalam peralatan epitaksi wafer kerana sifat gabungan ini.

3. Salutan SiC dan Kaedah Penyediaan

(1) Salutan SiC

Salutan SiC ialah filem nipis yang terbentuk daripada β-SiC, digunakan pada permukaan substrat melalui pelbagai proses salutan atau pemendapan. Salutan ini biasanya digunakan untuk meningkatkan kekerasan, rintangan haus, rintangan kakisan, rintangan pengoksidaan dan prestasi suhu tinggi. Salutan silikon karbida mempunyai aplikasi luas merentasi pelbagai substrat seperti seramik, logam, kaca dan plastik, dan digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, pembuatan automotif, elektronik dan bidang lain.

Rajah 2: Struktur Mikro Keratan Rentas Salutan SiC pada Permukaan Grafit

(2)  Kaedah Penyediaan

Kaedah utama untuk menyediakan salutan SiC termasuk Pemendapan Wap Kimia (CVD), Pemendapan Wap Fizikal (PVD), teknik penyemburan, pemendapan elektrokimia, dan pensinteran salutan buburan.

Pemendapan Wap Kimia (CVD):

CVD adalah salah satu kaedah yang paling biasa digunakan untuk menyediakan salutan silikon karbida. Semasa proses CVD, gas prekursor yang mengandungi silikon dan karbon dimasukkan ke dalam ruang tindak balas, di mana ia terurai pada suhu tinggi untuk menghasilkan atom silikon dan karbon. Atom-atom ini menjerap ke permukaan substrat dan bertindak balas untuk membentuk salutan silikon karbida. Dengan mengawal parameter proses utama seperti kadar aliran gas, suhu pemendapan, tekanan pemendapan dan masa, ketebalan, stoikiometri, saiz butiran, struktur kristal dan orientasi salutan boleh disesuaikan dengan tepat untuk memenuhi keperluan aplikasi tertentu. Satu lagi kelebihan kaedah ini ialah kesesuaiannya untuk menyalut substrat besar dan berbentuk kompleks dengan keupayaan lekatan dan pengisian yang baik. Walau bagaimanapun, prekursor dan produk sampingan yang digunakan dalam proses CVD selalunya mudah terbakar dan menghakis, menjadikan pengeluaran berbahaya. Selain itu, kadar penggunaan bahan mentah agak rendah, dan kos penyediaannya tinggi.

Pemendapan Wap Fizikal (PVD):

PVD melibatkan penggunaan kaedah fizikal seperti penyejatan haba atau magnetron sputtering di bawah vakum tinggi untuk mengewapkan bahan silikon karbida ketulenan tinggi dan memekatkannya ke permukaan substrat, membentuk filem nipis. Kaedah ini membolehkan kawalan tepat ke atas ketebalan dan komposisi salutan, menghasilkan salutan karbida silikon padat yang sesuai untuk aplikasi ketepatan tinggi seperti salutan alat pemotong, salutan seramik, salutan optik dan salutan penghalang haba. Walau bagaimanapun, mencapai liputan seragam pada komponen berbentuk kompleks, terutamanya di ceruk atau kawasan berlorek, adalah mencabar. Selain itu, lekatan antara salutan dan substrat mungkin tidak mencukupi. Peralatan PVD adalah mahal kerana keperluan untuk sistem vakum tinggi yang mahal dan peralatan kawalan ketepatan. Tambahan pula, kadar pemendapan adalah perlahan, mengakibatkan kecekapan pengeluaran yang rendah, menjadikannya tidak sesuai untuk pengeluaran perindustrian berskala besar.

Teknik semburan:

Ini melibatkan penyemburan bahan cecair ke permukaan substrat dan pengawetannya pada suhu tertentu untuk membentuk salutan. Kaedah ini mudah dan kos efektif, tetapi salutan yang terhasil biasanya menunjukkan lekatan yang lemah pada substrat, keseragaman yang lebih lemah, salutan yang lebih nipis, dan rintangan pengoksidaan yang lebih rendah, selalunya memerlukan kaedah tambahan untuk meningkatkan prestasi.

Pemendapan Elektrokimia:

Teknik ini menggunakan tindak balas elektrokimia untuk mendepositkan silikon karbida daripada larutan ke permukaan substrat. Dengan mengawal potensi elektrod dan komposisi larutan prekursor, pertumbuhan salutan seragam boleh dicapai. Salutan silikon karbida yang disediakan melalui kaedah ini boleh digunakan dalam bidang tertentu seperti penderia kimia/biologi, peranti fotovoltaik, bahan elektrod untuk bateri litium-ion dan salutan tahan kakisan.

Salutan buburan dan Pensinteran:

Kaedah ini melibatkan mencampurkan bahan salutan dengan pengikat untuk menghasilkan buburan, yang digunakan secara seragam pada permukaan substrat. Selepas pengeringan, bahan kerja bersalut disinter pada suhu tinggi dalam suasana lengai untuk membentuk salutan yang dikehendaki. Kelebihannya termasuk operasi yang mudah dan mudah serta ketebalan salutan yang boleh dikawal, tetapi kekuatan ikatan antara salutan dan substrat selalunya lebih lemah. Salutan juga mempunyai rintangan kejutan haba yang lemah, keseragaman yang lebih rendah, dan proses yang tidak konsisten, menjadikannya tidak sesuai untuk pengeluaran besar-besaran.

Secara keseluruhannya, memilih kaedah penyediaan salutan silikon karbida yang sesuai memerlukan pertimbangan menyeluruh tentang keperluan prestasi, ciri substrat dan kos berdasarkan senario aplikasi.

4. Suseptor Grafit Bersalut SiC

Suseptor grafit bersalut SiC adalah penting dalamProses Pemendapan Wap Kimia Organik Logam (MOCVD)., teknik yang digunakan secara meluas untuk menyediakan filem dan salutan nipis dalam bidang semikonduktor, optoelektronik dan sains bahan lain.

Rajah 3

5. Fungsi Substrat Grafit Bersalut SiC dalam Peralatan MOCVD

Substrat grafit bersalut SiC adalah penting dalam proses Pemendapan Wap Kimia Organik Logam (MOCVD), teknik yang digunakan secara meluas untuk menyediakan filem dan salutan nipis dalam bidang semikonduktor, optoelektronik dan sains bahan lain.

Rajah 4:  Peralatan CVD Semicorex

Pembawa Sokongan:Dalam MOCVD, bahan semikonduktor boleh tumbuh selapis demi selapis pada permukaan substrat wafer, membentuk filem nipis dengan sifat dan struktur tertentu.Pembawa grafit bersalut SiCbertindak sebagai pembawa sokongan, menyediakan platform yang teguh dan stabil untukepitaksidaripada filem nipis semikonduktor. Kestabilan haba yang sangat baik dan lengai kimia salutan SiC mengekalkan kestabilan substrat dalam persekitaran suhu tinggi, mengurangkan tindak balas dengan gas menghakis, dan memastikan ketulenan tinggi dan sifat dan struktur yang konsisten bagi filem semikonduktor yang ditanam. Contohnya termasuk substrat grafit bersalut SiC untuk pertumbuhan epitaxial GaN dalam peralatan MOCVD, substrat grafit bersalut SiC untuk pertumbuhan epitaxial silikon kristal tunggal (substrat rata, substrat bulat, substrat tiga dimensi), dan substrat grafit bersalut SiC untukPertumbuhan epitaxial SiC.

Kestabilan Terma dan Rintangan Pengoksidaan:Proses MOCVD mungkin melibatkan tindak balas suhu tinggi dan gas pengoksidaan. Salutan SiC menyediakan kestabilan terma tambahan dan perlindungan pengoksidaan untuk substrat grafit, mencegah kegagalan atau pengoksidaan dalam persekitaran suhu tinggi. Ini penting untuk mengawal dan mengekalkan konsistensi pertumbuhan filem nipis.

Kawalan Antara Muka Bahan dan Sifat Permukaan:Salutan SiC boleh mempengaruhi interaksi antara filem dan substrat, mempengaruhi mod pertumbuhan, padanan kekisi dan kualiti antara muka. Dengan melaraskan sifat salutan SiC, pertumbuhan bahan yang lebih tepat dan kawalan antara muka boleh dicapai, meningkatkan prestasifilem epitaxial.

Mengurangkan Pencemaran Kekotoran:Ketulenan tinggi salutan SiC boleh meminimumkan pencemaran kekotoran daripada substrat grafit, memastikan bahawafilem epitaxial yang ditanammempunyai ketulenan tinggi yang diperlukan. Ini penting untuk prestasi dan kebolehpercayaan peranti semikonduktor.

Rajah 5: SemicorexReseptor Grafit Bersalut SiCsebagai Pembawa Wafer dalam Epitaksi

Secara ringkasnya,Substrat grafit bersalut SiCmenyediakan sokongan asas yang lebih baik, kestabilan terma, dan kawalan antara muka dalam proses MOCVD, menggalakkan pertumbuhan dan penyediaan berkualiti tinggifilem epitaxial.

6. Kesimpulan dan Pandangan

Pada masa ini, institusi penyelidikan di China berdedikasi untuk menambah baik proses pengeluaransuseptor grafit bersalut silikon karbida, meningkatkan ketulenan dan keseragaman salutan, serta meningkatkan kualiti dan jangka hayat salutan SiC sambil mengurangkan kos pengeluaran. Pada masa yang sama, mereka meneroka cara untuk mencapai proses pembuatan pintar bagi substrat grafit bersalut silikon karbida untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran dan kualiti produk. Industri ini meningkatkan pelaburan dalam perindustriansubstrat grafit bersalut silikon karbida, meningkatkan skala pengeluaran dan kualiti produk untuk memenuhi permintaan pasaran. Baru-baru ini, institusi penyelidikan dan industri sedang giat meneroka teknologi salutan baharu, seperti aplikasiSalutan TaC pada suseptor grafit, untuk meningkatkan kekonduksian terma dan rintangan kakisan.**

Semicorex menawarkan komponen berkualiti tinggi untuk bahan bersalut CVD SiC. Jika anda mempunyai sebarang pertanyaan atau memerlukan butiran tambahan, sila jangan teragak-agak untuk menghubungi kami.

Hubungi # telefon +86-13567891907

E-mel: sales@semicorex.com