Een korte geschiedenis van siliciumcarbide en toepassingen van siliciumcarbidecoatings

1. Ontwikkeling van SiC

In 1893 ontwierp Edward Goodrich Acheson, de ontdekker van SiC, een weerstandsoven met behulp van koolstofmaterialen - bekend als de Acheson-oven - om de industriële productie van siliciumcarbide te starten door een mengsel van kwarts en koolstof elektrisch te verwarmen. Vervolgens heeft hij patent aangevraagd op deze uitvinding.

Vanaf het begin tot het midden van de 20e eeuw werd siliciumcarbide vanwege zijn uitzonderlijke hardheid en slijtvastheid voornamelijk gebruikt als schuurmiddel bij slijp- en snijgereedschappen.

In de jaren vijftig en zestig, met de komst vanchemische dampdepositie (CVD)-technologiewaren wetenschappers als Rustum Roy van Bell Labs in de Verenigde Staten een pionier in het onderzoek naar CVD SiC-technologie. Ze ontwikkelden SiC-dampafzettingsprocessen en voerden voorbereidende verkenningen uit naar de eigenschappen en toepassingen ervan, waardoor de eerste afzetting van SiC werd bereiktSiC-coatings op grafietoppervlakken. Dit werk legde een cruciale basis voor de CVD-bereiding van SiC-coatingmaterialen.

In 1963 richtten Bell Labs-onderzoekers Howard Wachtel en Joseph Wells CVD Incorporated op, gericht op de ontwikkeling van chemische dampdepositietechnologieën voor SiC en andere keramische coatingmaterialen. In 1974 bereikten ze de eerste industriële productie vangrafietproducten met siliciumcarbidecoating. Deze mijlpaal betekende een aanzienlijke vooruitgang in de technologie van siliciumcarbidecoatings op grafietoppervlakken, wat de weg vrijmaakte voor hun wijdverbreide toepassing op gebieden als halfgeleiders, optica en ruimtevaart.

In de jaren zeventig pasten onderzoekers van Union Carbide Corporation (nu een volledige dochteronderneming van Dow Chemical) voor het eerstmet siliciumcarbide beklede grafietbasesin de epitaxiale groei van halfgeleidermaterialen zoals galliumnitride (GaN). Deze technologie was cruciaal voor het produceren van hoge prestatiesGaN-gebaseerde LED's(lichtgevende diodes) en lasers, waarmee de basis werd gelegd voor de volgende ontwikkelingensiliciumcarbide-epitaxietechnologieen een belangrijke mijlpaal worden in de toepassing van siliciumcarbidematerialen op het gebied van halfgeleiders.

Van de jaren tachtig tot het begin van de 21e eeuw breidden de ontwikkelingen in de productietechnologieën de industriële en commerciële toepassingen van siliciumcarbidecoatings uit van de lucht- en ruimtevaart tot de automobielsector, vermogenselektronica, halfgeleiderapparatuur en verschillende industriële componenten als anticorrosiecoatings.

Vanaf het begin van de 21e eeuw tot heden heeft de ontwikkeling van thermisch spuiten, PVD en nanotechnologie nieuwe methoden voor de voorbereiding van coatings geïntroduceerd. Onderzoekers begonnen siliciumcarbidecoatings op nanoschaal te onderzoeken en te ontwikkelen om de materiaalprestaties verder te verbeteren.

Kortom, de voorbereidingstechnologie voorCVD-siliciumcarbidecoatingsis de afgelopen decennia overgegaan van laboratoriumonderzoek naar industriële toepassingen, waarbij voortdurende vooruitgang en doorbraken zijn bereikt.

2. SiC-kristalstructuur en toepassingsgebieden

Siliciumcarbide kent meer dan 200 polytypen, voornamelijk onderverdeeld in drie hoofdgroepen op basis van de stapeling van koolstof- en siliciumatomen: kubisch (3C), hexagonaal (H) en rhombohedraal®. Veel voorkomende voorbeelden zijn 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC en 15R-SiC. Deze kunnen grofweg in twee hoofdtypen worden verdeeld:

Figuur 1: Kristalstructuur van siliciumcarbide

α-SiC:Dit is de stabiele structuur bij hoge temperaturen en het oorspronkelijke structuurtype dat in de natuur voorkomt.

β-SiC:Dit is de bij lage temperatuur stabiele structuur, die kan worden gevormd door silicium en koolstof te laten reageren bij ongeveer 1450°C. β-SiC kan bij temperaturen tussen 2100-2400°C transformeren in α-SiC.

Verschillende SiC-polytypes hebben verschillende toepassingen. 4H-SiC in α-SiC is bijvoorbeeld geschikt voor de productie van apparaten met een hoog vermogen, terwijl 6H-SiC het meest stabiele type is en wordt gebruikt in opto-elektronische apparaten. β-SiC is, naast het gebruik in RF-apparaten, ook belangrijk als dunne film en coatingmateriaal in omgevingen met hoge temperaturen, hoge slijtage en zeer corrosieve eigenschappen, en biedt beschermende functies. β-SiC heeft verschillende voordelen ten opzichte van α-SiC:

(1)De thermische geleidbaarheid ligt tussen 120 en 200 W/m·K, aanzienlijk hoger dan de 100 tot 140 W/m·K van α-SiC.

(2) β-SiC vertoont een hogere hardheid en slijtvastheid.

(3) In termen van corrosieweerstand blijft β-SiC stabiel onder agressievere oxiderende en sterk alkalische omstandigheden, terwijl α-SiC goed presteert in niet-oxiderende en lichtzure omgevingen, wat zijn superieure corrosieweerstand aantoont in een breder scala aan chemische omgevingen .

Bovendien komt de thermische uitzettingscoëfficiënt van β-SiC nauw overeen met die van grafiet, waardoor het vanwege deze gecombineerde eigenschappen het voorkeursmateriaal is voor oppervlaktecoatings op grafietbases in wafer-epitaxyapparatuur.

3. SiC-coatings en bereidingsmethoden

(1) SiC-coatings

SiC-coatings zijn dunne films gevormd uit β-SiC, aangebracht op substraatoppervlakken via verschillende coating- of afzettingsprocessen. Deze coatings worden doorgaans gebruikt om de hardheid, slijtvastheid, corrosieweerstand, oxidatieweerstand en prestaties bij hoge temperaturen te verbeteren. Siliciumcarbidecoatings hebben brede toepassingen op verschillende substraten zoals keramiek, metalen, glas en kunststoffen, en worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, de elektronica en andere gebieden.

Figuur 2: Microstructuur in dwarsdoorsnede van SiC-coating op grafietoppervlak

(2)  Bereidingsmethoden

De belangrijkste methoden voor het bereiden van SiC-coatings zijn onder meer chemische dampafzetting (CVD), fysische dampafzetting (PVD), spuittechnieken, elektrochemische afzetting en sinteren van slurrycoatings.

Chemische dampafzetting (CVD):

CVD is een van de meest gebruikte methoden voor het bereiden van siliciumcarbidecoatings. Tijdens het CVD-proces worden silicium- en koolstofhoudende precursorgassen in een reactiekamer gebracht, waar ze bij hoge temperaturen ontleden en silicium- en koolstofatomen produceren. Deze atomen adsorberen op het substraatoppervlak en reageren om de siliciumcarbidecoating te vormen. Door het beheersen van belangrijke procesparameters zoals gasstroomsnelheid, afzettingstemperatuur, afzettingsdruk en tijd kunnen de dikte, stoichiometrie, korrelgrootte, kristalstructuur en oriëntatie van de coating nauwkeurig worden afgestemd op specifieke toepassingsvereisten. Een ander voordeel van deze methode is de geschiktheid voor het coaten van grote en complexvormige substraten met goede hechtings- en vulmogelijkheden. De voorlopers en bijproducten die in het CVD-proces worden gebruikt, zijn echter vaak brandbaar en corrosief, waardoor de productie gevaarlijk wordt. Bovendien is de benuttingsgraad van de grondstoffen relatief laag en zijn de voorbereidingskosten hoog.

Fysische dampafzetting (PVD):

PVD omvat het gebruik van fysieke methoden zoals thermische verdamping of magnetronsputteren onder hoog vacuüm om zeer zuivere siliciumcarbidematerialen te verdampen en deze op het substraatoppervlak te condenseren, waardoor een dunne film ontstaat. Deze methode maakt nauwkeurige controle over de dikte en samenstelling van de coating mogelijk, waardoor dichte siliciumcarbidecoatings worden geproduceerd die geschikt zijn voor uiterst nauwkeurige toepassingen zoals coatings voor snijgereedschappen, keramische coatings, optische coatings en thermische barrièrecoatings. Het bereiken van een uniforme dekking op componenten met een complexe vorm, vooral in uitsparingen of schaduwrijke gebieden, is echter een uitdaging. Bovendien kan de hechting tussen coating en substraat onvoldoende zijn. PVD-apparatuur is kostbaar vanwege de behoefte aan dure hoogvacuümsystemen en precisieregelapparatuur. Bovendien is de depositiesnelheid laag, wat resulteert in een lage productie-efficiëntie, waardoor het ongeschikt is voor grootschalige industriële productie.

Spuittechniek:

Hierbij worden vloeibare materialen op het substraatoppervlak gespoten en bij specifieke temperaturen uitgehard om een ​​coating te vormen. De methode is eenvoudig en kosteneffectief, maar de resulterende coatings vertonen doorgaans een zwakke hechting aan het substraat, een slechtere uniformiteit, dunnere coatings en een lagere oxidatieweerstand, waardoor vaak aanvullende methoden nodig zijn om de prestaties te verbeteren.

Elektrochemische afzetting:

Deze techniek maakt gebruik van elektrochemische reacties om siliciumcarbide uit een oplossing op het substraatoppervlak af te zetten. Door het regelen van de elektrodepotentiaal en de samenstelling van de precursoroplossing kan een uniforme coatinggroei worden bereikt. Siliciumcarbide-coatings die volgens deze methode zijn vervaardigd, zijn toepasbaar op specifieke gebieden, zoals chemische/biologische sensoren, fotovoltaïsche apparaten, elektrodematerialen voor lithium-ionbatterijen en corrosiebestendige coatings.

Slurrycoating en sinteren:

Deze methode omvat het mengen van het coatingmateriaal met bindmiddelen om een ​​slurry te creëren, die gelijkmatig op het substraatoppervlak wordt aangebracht. Na het drogen wordt het gecoate werkstuk bij hoge temperaturen in een inerte atmosfeer gesinterd om de gewenste coating te vormen. De voordelen zijn onder meer een eenvoudige en gemakkelijke bediening en een regelbare laagdikte, maar de hechtsterkte tussen de coating en het substraat is vaak zwakker. De coatings hebben ook een slechte weerstand tegen thermische schokken, een lagere uniformiteit en inconsistente processen, waardoor ze ongeschikt zijn voor massaproductie.

Over het geheel genomen vereist het selecteren van de juiste voorbereidingsmethode voor siliciumcarbidecoating een uitgebreide afweging van de prestatie-eisen, substraatkenmerken en kosten op basis van het toepassingsscenario.

4. SiC-gecoate grafiet susceptors

SiC-gecoate grafiet susceptors zijn cruciaal inMetal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)-processen, een techniek die veel wordt gebruikt voor het vervaardigen van dunne films en coatings op het gebied van halfgeleiders, opto-elektronica en andere materiaalwetenschappen.

figuur 3

5. Functies van SiC-gecoate grafietsubstraten in MOCVD-apparatuur

Met SiC gecoate grafietsubstraten zijn cruciaal in Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)-processen, een techniek die veel wordt gebruikt voor het bereiden van dunne films en coatings op het gebied van halfgeleiders, opto-elektronica en andere materiaalwetenschappen.

Figuur 4:  De Semicorex CVD-apparatuur

Ondersteunende vervoerder:Bij MOCVD kunnen halfgeleidermaterialen laag voor laag op het wafersubstraatoppervlak groeien en dunne films vormen met specifieke eigenschappen en structuren.De SiC-gecoate grafietdragerfungeert als ondersteunende drager en biedt een robuust en stabiel platform voor deepitaxievan dunne halfgeleiderfilms. De uitstekende thermische stabiliteit en chemische inertheid van de SiC-coating handhaven de stabiliteit van het substraat in omgevingen met hoge temperaturen, verminderen reacties met corrosieve gassen en zorgen voor de hoge zuiverheid en consistente eigenschappen en structuren van de gegroeide halfgeleiderfilms. Voorbeelden zijn onder meer SiC-gecoate grafietsubstraten voor GaN-epitaxiale groei in MOCVD-apparatuur, SiC-gecoate grafietsubstraten voor epitaxiale siliciumgroei met één kristal (vlakke substraten, ronde substraten, driedimensionale substraten) en SiC-gecoate grafietsubstraten voorSiC epitaxiale groei.

Thermische stabiliteit en oxidatieweerstand:Bij het MOCVD-proces kunnen reacties op hoge temperatuur en oxiderende gassen betrokken zijn. De SiC-coating biedt extra thermische stabiliteit en oxidatiebescherming voor het grafietsubstraat, waardoor defecten of oxidatie in omgevingen met hoge temperaturen worden voorkomen. Dit is cruciaal voor het beheersen en behouden van de consistentie van dunnefilmgroei.

Controle materiaalinterface en oppervlakte-eigenschappen:De SiC-coating kan de interacties tussen de film en het substraat beïnvloeden, waardoor de groeimodi, roosteraanpassing en interfacekwaliteit worden beïnvloed. Door de eigenschappen van de SiC-coating aan te passen, kan een nauwkeurigere materiaalgroei en interfacecontrole worden bereikt, waardoor de prestaties worden verbeterdepitaxiale films.

Verontreiniging door onzuiverheden verminderen:De hoge zuiverheid van SiC-coatings kan de verontreiniging door onzuiverheden door grafietsubstraten tot een minimum beperken, waardoor wordt verzekerd dat degegroeide epitaxiale filmsde vereiste hoge zuiverheid hebben. Dit is van cruciaal belang voor de prestaties en betrouwbaarheid van halfgeleiderapparaten.

Figuur 5: De SemicorexSiC-gecoate grafietreceptorals Waferdrager in Epitaxie

Samengevat,SiC-gecoate grafietsubstratenzorgen voor betere basisondersteuning, thermische stabiliteit en interfacecontrole in MOCVD-processen, waardoor de groei en bereiding van hoge kwaliteit worden bevorderdepitaxiale films.

6. Conclusie en vooruitzichten

Momenteel richten onderzoeksinstellingen in China zich op het verbeteren van de productieprocessen vangrafiet susceptors met siliciumcarbide coating, waardoor de zuiverheid en uniformiteit van de coating wordt verbeterd, en de kwaliteit en levensduur van SiC-coatings worden verhoogd, terwijl de productiekosten worden verlaagd. Tegelijkertijd onderzoeken ze manieren om intelligente productieprocessen voor met siliciumcarbide gecoate grafietsubstraten te realiseren om de productie-efficiëntie en productkwaliteit te verbeteren. De industrie verhoogt de investeringen in de industrialisatie vanmet siliciumcarbide beklede grafietsubstraten, het verbeteren van de productieschaal en de productkwaliteit om aan de marktvraag te voldoen. Onlangs zijn onderzoeksinstellingen en industrieën actief bezig met het onderzoeken van nieuwe coatingtechnologieën, zoals de toepassing vanTaC-coatings op grafietkroezen, om de thermische geleidbaarheid en corrosieweerstand te verbeteren.**

Semicorex biedt hoogwaardige componenten voor CVD SiC-gecoate materialen. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com