Trumpa silicio karbido istorija ir silicio karbido dangų panaudojimas

1. SiC kūrimas

1893 m. SiC atradėjas Edwardas Goodrichas Achesonas suprojektavo rezistorių krosnį, naudodamas anglies medžiagas, žinomą kaip Acheson krosnis, kad pradėtų pramoninę silicio karbido gamybą elektra kaitinant kvarco ir anglies mišinį. Vėliau jis pateikė šio išradimo patentą.

Nuo XX amžiaus pradžios iki vidurio dėl išskirtinio kietumo ir atsparumo dilimui silicio karbidas pirmiausia buvo naudojamas kaip šlifavimo ir pjovimo įrankių abrazyvas.

1950 ir 1960 m., atsiraduscheminio nusodinimo garais (CVD) technologija, mokslininkai, tokie kaip Rustum Roy iš Bell Labs Jungtinėse Valstijose, pradėjo CVD SiC technologijos tyrimus. Jie sukūrė SiC garų nusodinimo procesus ir atliko preliminarius jo savybių ir pritaikymo tyrimus, pasiekdami pirmąjįSiC dangos ant grafito paviršių. Šis darbas padėjo pagrindą SiC dangų medžiagų CVD paruošimui.

1963 m. Bell Labs mokslininkai Howardas Wachtelis ir Josephas Wellsas įkūrė CVD Incorporated, daugiausia dėmesio skirdami SiC ir kitų keraminių dangų medžiagų cheminio nusodinimo garais technologijų kūrimui. 1974 m. jie pasiekė pirmąją pramoninę gamybąsilicio karbidu dengti grafito gaminiai. Šis įvykis pažymėjo didelę pažangą silicio karbido dangų ant grafito paviršių technologijoje, atvėrusi kelią plačiai jų taikymui tokiose srityse kaip puslaidininkiai, optika ir aviacija.

Aštuntajame dešimtmetyje Union Carbide Corporation (dabar visiškai priklausanti Dow Chemical dukterinė įmonė) mokslininkai pirmą kartą kreipėsisilicio karbidu dengtos grafito bazėspuslaidininkinių medžiagų, tokių kaip galio nitridas (GaN), epitaksiniame augime. Ši technologija buvo labai svarbi gaminant aukštą našumąGaN pagrindu pagaminti šviesos diodai(šviesos diodai) ir lazeriai, padedantys tolesniam darbuiSilicio karbido epitaksijos technologijair tapo reikšmingu etapu taikant silicio karbido medžiagas puslaidininkių srityje.

Nuo devintojo dešimtmečio iki XXI amžiaus pradžios gamybos technologijų pažanga išplėtė silicio karbido dangų pramoninį ir komercinį pritaikymą nuo aviacijos ir kosmoso iki automobilių, galios elektronikos, puslaidininkinės įrangos ir įvairių pramoninių komponentų kaip antikorozinių dangų.

Nuo XXI amžiaus pradžios iki šių dienų termopurškimo, PVD ir nanotechnologijų plėtra įvedė naujus dangų paruošimo būdus. Tyrėjai pradėjo tyrinėti ir kurti nanoskalės silicio karbido dangas, kad dar labiau pagerintų medžiagos veikimą.

Apibendrinant, paruošimo technologija, skirtaCVD silicio karbido dangosper pastaruosius kelis dešimtmečius perėjo nuo laboratorinių tyrimų prie pramoninio pritaikymo, siekdama nuolatinės pažangos ir laimėjimų.

2. SiC kristalų struktūra ir taikymo sritys

Silicio karbidas turi daugiau nei 200 politipų, pirmiausia suskirstytų į tris pagrindines grupes pagal anglies ir silicio atomų išdėstymą: kubinį (3C), šešiakampį (H) ir romboedrinį ®. Įprasti pavyzdžiai yra 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC ir 15R-SiC. Iš esmės juos galima suskirstyti į du pagrindinius tipus:

1 pav. Silicio karbido kristalinė struktūra

α-SiC:Tai yra stabili aukštoje temperatūroje struktūra ir originalus gamtoje randamas struktūros tipas.

β-SiC:Tai stabili žemoje temperatūroje struktūra, kuri gali susidaryti reaguojant siliciui ir anglimi maždaug 1450°C temperatūroje. β-SiC gali virsti α-SiC esant 2100–2400°C temperatūrai.

Skirtingi SiC politipai naudojami skirtingai. Pavyzdžiui, 4H-SiC α-SiC yra tinkamas didelės galios prietaisams gaminti, o 6H-SiC yra stabiliausias tipas ir naudojamas optoelektroniniuose įrenginiuose. β-SiC, be to, kad naudojamas radijo dažnių įrenginiuose, taip pat yra svarbus kaip plona plėvelė ir dangos medžiaga aukštos temperatūros, didelio susidėvėjimo ir labai ėsdinančiose aplinkose, atliekanti apsaugines funkcijas. β-SiC turi keletą pranašumų, palyginti su α-SiC:

(1)Jo šilumos laidumas svyruoja tarp 120–200 W/m·K, žymiai didesnis nei α-SiC 100–140 W/m·K.

(2) β-SiC pasižymi didesniu kietumu ir atsparumu dilimui.

(3) Kalbant apie atsparumą korozijai, α-SiC gerai veikia neoksiduojančioje ir silpnai rūgštinėje aplinkoje, o β-SiC išlieka stabilus agresyvesnėmis oksidacinėmis ir stipriai šarminėmis sąlygomis, parodydamas savo puikų atsparumą korozijai įvairiose cheminėse aplinkose. .

Be to, β-SiC šiluminio plėtimosi koeficientas labai panašus į grafito koeficientą, todėl dėl šių kombinuotų savybių jis yra tinkamiausia medžiaga grafito pagrindo paviršiams dengti plokštelių epitaksijos įrangoje.

3. SiC dangos ir paruošimo metodai

(1) SiC dangos

SiC dangos yra plonos plėvelės, suformuotos iš β-SiC, padengtos pagrindo paviršiais įvairiais dengimo ar nusodinimo procesais. Šios dangos paprastai naudojamos siekiant padidinti kietumą, atsparumą dilimui, atsparumą korozijai, atsparumą oksidacijai ir atsparumą aukštai temperatūrai. Silicio karbido dangos plačiai naudojamos įvairiems pagrindams, pavyzdžiui, keramikai, metalui, stiklui ir plastikui, ir yra plačiai naudojamos aviacijos erdvėje, automobilių gamyboje, elektronikoje ir kitose srityse.

2 pav. SiC dangos ant grafito paviršiaus skerspjūvio mikrostruktūra

(2)  Paruošimo metodai

Pagrindiniai SiC dangų paruošimo metodai apima cheminį nusodinimą iš garų (CVD), fizinį nusodinimą iš garų (PVD), purškimo būdus, elektrocheminį nusodinimą ir srutos dangos sukepinimą.

Cheminis nusodinimas garais (CVD):

CVD yra vienas iš dažniausiai naudojamų silicio karbido dangų paruošimo būdų. CVD proceso metu silicio ir anglies turinčios pirmtakų dujos įvedamos į reakcijos kamerą, kur jos suyra aukštoje temperatūroje ir susidaro silicio ir anglies atomai. Šie atomai adsorbuojasi ant pagrindo paviršiaus ir reaguoja sudarydami silicio karbido dangą. Kontroliuojant pagrindinius proceso parametrus, tokius kaip dujų srauto greitis, nusodinimo temperatūra, nusodinimo slėgis ir laikas, dangos storis, stechiometrija, grūdelių dydis, kristalų struktūra ir orientacija gali būti tiksliai pritaikyti, kad atitiktų specifinius naudojimo reikalavimus. Kitas šio metodo privalumas yra jo tinkamumas dengti didelius ir sudėtingos formos pagrindus, pasižyminčius geromis sukibimo ir užpildymo savybėmis. Tačiau CVD procese naudojami pirmtakai ir šalutiniai produktai dažnai yra degūs ir ėsdinantys, todėl gamyba yra pavojinga. Be to, žaliavų panaudojimo lygis yra palyginti mažas, o paruošimo išlaidos yra didelės.

Fizinis nusodinimas iš garų (PVD):

PVD apima fizikinius metodus, tokius kaip terminis garinimas arba magnetroninis purškimas dideliame vakuume, kad išgaruotų didelio grynumo silicio karbido medžiagas ir kondensuotųsi ant pagrindo paviršiaus, suformuojant ploną plėvelę. Šis metodas leidžia tiksliai kontroliuoti dangos storį ir sudėtį, gaminant tankias silicio karbido dangas, tinkamas didelio tikslumo naudojimui, pavyzdžiui, pjovimo įrankių dangoms, keraminėms dangoms, optinėms dangoms ir šiluminės barjerinės dangoms. Tačiau vienodai padengti sudėtingos formos komponentus, ypač įdubose ar tamsesnėse vietose, yra sudėtinga. Be to, dangos ir pagrindo sukibimas gali būti nepakankamas. PVD įranga yra brangi, nes reikia brangių didelio vakuumo sistemų ir tikslios valdymo įrangos. Be to, nusodinimo greitis yra lėtas, todėl gamybos efektyvumas mažas, todėl jis netinkamas didelio masto pramoninei gamybai.

Purškimo technika:

Tai apima skystų medžiagų purškimą ant pagrindo paviršiaus ir jų kietėjimą tam tikroje temperatūroje, kad susidarytų danga. Metodas yra paprastas ir ekonomiškas, tačiau gautos dangos paprastai pasižymi silpnu sukibimu su pagrindu, prastesnis vienodumas, plonesnės dangos ir mažesnis atsparumas oksidacijai, todėl dažnai reikia papildomų metodų, kad pagerintų našumą.

Elektrocheminis nusodinimas:

Šis metodas naudoja elektrochemines reakcijas, kad nusodintų silicio karbidą iš tirpalo ant pagrindo paviršiaus. Kontroliuojant elektrodo potencialą ir pirmtako tirpalo sudėtį, galima pasiekti vienodą dangos augimą. Šiuo metodu paruoštos silicio karbido dangos yra taikomos specifinėse srityse, tokiose kaip cheminiai/biologiniai jutikliai, fotovoltiniai prietaisai, ličio jonų akumuliatorių elektrodų medžiagos ir korozijai atsparios dangos.

Srutų dengimas ir sukepinimas:

Šis metodas apima dangos medžiagos sumaišymą su rišikliais, kad susidarytų srutos, kuri tolygiai užtepama ant pagrindo paviršiaus. Po džiovinimo padengtas ruošinys sukepinamas aukštoje temperatūroje inertinėje atmosferoje, kad susidarytų norima danga. Jo pranašumai yra paprastas ir lengvas valdymas bei reguliuojamas dangos storis, tačiau dangos ir pagrindo sukibimo stiprumas dažnai būna silpnesnis. Dangos taip pat turi prastą atsparumą šiluminiam smūgiui, mažesnį vienodumą ir nenuoseklius procesus, todėl jos netinkamos masinei gamybai.

Apskritai, pasirenkant tinkamą silicio karbido dangos paruošimo metodą, reikia išsamiai apsvarstyti eksploatacinių savybių reikalavimus, pagrindo charakteristikas ir sąnaudas, atsižvelgiant į taikymo scenarijų.

4. SiC padengti grafito susceptoriai

SiC padengti grafito susceptoriai yra labai svarbūsMetalo organinio cheminio nusodinimo garais (MOCVD) procesai, metodas, plačiai naudojamas plonoms plėvelėms ir dangoms ruošti puslaidininkių, optoelektronikos ir kitų medžiagų mokslų srityse.

3 pav

5. SiC dengtų grafito substratų funkcijos MOCVD įrangoje

SiC padengti grafito substratai yra labai svarbūs metalo organinio cheminio nusodinimo garais (MOCVD) procesuose – technikoje, kuri plačiai naudojama plonoms plėvelėms ir dangoms ruošti puslaidininkių, optoelektronikos ir kitų medžiagų mokslų srityse.

4 paveikslas:  Semicorex CVD įranga

Pagalbinis vežėjas:MOCVD atveju puslaidininkinės medžiagos gali augti sluoksnis po sluoksnio ant plokštelės pagrindo paviršiaus, sudarydamos plonas plėveles, turinčias specifinių savybių ir struktūrų.SiC dengtas grafito laikiklisveikia kaip atraminis laikiklis, suteikdamas tvirtą ir stabilią platformąepitaksijapuslaidininkinių plonų plėvelių. Puikus šiluminis stabilumas ir cheminis SiC dangos inertiškumas palaiko pagrindo stabilumą aukštos temperatūros aplinkoje, sumažina reakcijas su korozinėmis dujomis ir užtikrina aukštą grynumą bei pastovias išaugintų puslaidininkinių plėvelių savybes ir struktūras. Pavyzdžiai: SiC padengti grafito substratai, skirti GaN epitaksiniam augimui MOCVD įrangoje, SiC padengti grafito substratai, skirti vienkristaliniam silicio epitaksiniam augimui (plokštūs substratai, apvalūs substratai, trimačiai substratai) ir SiC padengti grafito substratai, skirtiSiC epitaksinis augimas.

Terminis stabilumas ir atsparumas oksidacijai:MOCVD procesas gali apimti aukštos temperatūros reakcijas ir oksiduojančias dujas. SiC danga suteikia papildomą šiluminį stabilumą ir apsaugą nuo oksidacijos grafito substratui, užkertant kelią gedimui ar oksidacijai aukštoje temperatūroje. Tai labai svarbu norint kontroliuoti ir išlaikyti plonos plėvelės augimo nuoseklumą.

Medžiagos sąsajos ir paviršiaus savybių valdymas:SiC danga gali turėti įtakos plėvelės ir pagrindo sąveikai, turėdama įtakos augimo režimams, grotelių atitikimui ir sąsajos kokybei. Reguliuojant SiC dangos savybes galima pasiekti tikslesnį medžiagos augimą ir sąsajos valdymą, pagerinantepitaksinės plėvelės.

Priemaišų užteršimo mažinimas:Didelio grynumo SiC dangos gali sumažinti grafito substratų užteršimą nešvarumais ir užtikrinti, kadišaugintos epitaksinės plėvelėsturi reikiamą aukštą grynumą. Tai labai svarbu puslaidininkinių įtaisų veikimui ir patikimumui.

5 pav. SemicorexSiC dengtas grafito receptoriuskaip plokštelių nešiklis Epitaksijoje

Apibendrinant,SiC dengti grafito pagrindaiužtikrinti geresnį bazinį palaikymą, šiluminį stabilumą ir sąsajos valdymą MOCVD procesuose, skatinant aukštos kokybės augimą ir paruošimąepitaksinės plėvelės.

6. Išvada ir perspektyva

Šiuo metu Kinijos mokslinių tyrimų institucijos yra skirtos tobulinti gamybos procesussilicio karbidu dengti grafito susceptoriai, didinant dangos grynumą ir vienodumą bei padidinant SiC dangų kokybę ir tarnavimo laiką, kartu mažinant gamybos sąnaudas. Tuo pat metu jie tiria būdus, kaip pasiekti pažangius silicio karbidu dengtų grafito substratų gamybos procesus, kad būtų pagerintas gamybos efektyvumas ir produktų kokybė. Pramonė didina investicijas į industrializacijąsilicio karbidu dengti grafito substratai, didinant gamybos mastą ir produktų kokybę, kad atitiktų rinkos poreikius. Pastaruoju metu mokslinių tyrimų institucijos ir pramonės šakos aktyviai tiria naujas dengimo technologijas, pavyzdžiui, taikymąTaC dangos ant grafito suceptorių, pagerinti šilumos laidumą ir atsparumą korozijai.**

Semicorex siūlo aukštos kokybės komponentus, skirtus CVD SiC dengtoms medžiagoms. Jei turite kokių nors klausimų ar reikia papildomos informacijos, nedvejodami susisiekite su mumis.

Telefonas pasiteirauti # +86-13567891907

paštas: sales@semicorex.com