Краткая история карбида кремния и применение покрытий из карбида кремния

1. Развитие SiC

В 1893 году Эдвард Гудрич Ачесон, первооткрыватель SiC, спроектировал резисторную печь с использованием углеродных материалов, известную как печь Ачесона, чтобы начать промышленное производство карбида кремния путем электрического нагрева смеси кварца и углерода. Впоследствии он подал патент на это изобретение.

С начала до середины 20 века карбид кремния из-за своей исключительной твердости и износостойкости в основном использовался в качестве абразива в шлифовальных и режущих инструментах.

В 1950-е и 1960-е годы, с появлениемтехнология химического осаждения из паровой фазы (CVD), такие ученые, как Рустум Рой из Bell Labs в США, стали пионерами исследования технологии CVD SiC. Они разработали процессы осаждения SiC из паровой фазы и провели предварительные исследования его свойств и применения, добившись первого осаждения SiC.Покрытия SiC на графитовых поверхностях. Эта работа заложила решающую основу для CVD-подготовки материалов покрытия SiC.

В 1963 году исследователи Bell Labs Говард Вахтель и Джозеф Уэллс основали компанию CVD Incorporated, сосредоточившись на разработке технологий химического осаждения из паровой фазы SiC и других материалов керамических покрытий. В 1974 году они добились первого промышленного производстваграфитовые изделия с покрытием из карбида кремния. Эта веха ознаменовала значительный прогресс в технологии покрытий из карбида кремния на графитовых поверхностях, открыв путь к их широкому применению в таких областях, как полупроводники, оптика и аэрокосмическая промышленность.

В 1970-х годах исследователи из Union Carbide Corporation (сейчас это дочерняя компания Dow Chemical) впервые применилиграфитовые основания с покрытием из карбида кремнияпри эпитаксиальном выращивании полупроводниковых материалов, таких как нитрид галлия (GaN). Эта технология имела решающее значение для производства высокопроизводительныхСветодиоды на основе GaN(светодиоды) и лазеры, заложив основу для последующихТехнология эпитаксии карбида кремнияи становится важной вехой в применении материалов из карбида кремния в области полупроводников.

С 1980-х годов до начала 21 века достижения в производственных технологиях расширили промышленное и коммерческое применение покрытий из карбида кремния от аэрокосмической отрасли до автомобилестроения, силовой электроники, полупроводникового оборудования и различных промышленных компонентов в качестве антикоррозионных покрытий.

С начала XXI века по настоящее время развитие термического напыления, PVD и нанотехнологий привело к появлению новых методов подготовки покрытий. Исследователи начали исследовать и разрабатывать наноразмерные покрытия из карбида кремния для дальнейшего улучшения характеристик материала.

Вкратце, технология приготовленияCVD-покрытия из карбида кремнияза последние несколько десятилетий перешла от лабораторных исследований к промышленному применению, добившись постоянного прогресса и прорывов.

2. Кристаллическая структура SiC и области применения

Карбид кремния имеет более 200 политипов, которые в основном подразделяются на три основные группы в зависимости от расположения атомов углерода и кремния: кубический (3C), гексагональный (H) и ромбоэдрический ®. Общие примеры включают 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC и 15R-SiC. Их можно условно разделить на два основных типа:

Рисунок 1: Кристаллическая структура карбида кремния.

α-SiC:Это устойчивая к высоким температурам структура и оригинальный тип структуры, встречающийся в природе.

β-SiC:Это устойчивая к низким температурам структура, которая может быть образована в результате реакции кремния и углерода при температуре около 1450°C. β-SiC может превращаться в α-SiC при температуре 2100–2400°C.

Различные политипы SiC имеют разное применение. Например, 4H-SiC в составе α-SiC подходит для изготовления мощных устройств, а 6H-SiC является наиболее стабильным типом и используется в оптоэлектронных устройствах. β-SiC, помимо использования в радиочастотных устройствах, также важен в качестве тонкопленочного и покрывающего материала в высокотемпературных, быстроизнашивающихся и агрессивных средах, обеспечивая защитные функции. β-SiC имеет ряд преимуществ перед α-SiC:

(1)Его теплопроводность колеблется в пределах 120–200 Вт/м·К, что значительно выше, чем у α-SiC (100–140 Вт/м·К).

(2) β-SiC обладает более высокой твердостью и износостойкостью.

(3) С точки зрения коррозионной стойкости, в то время как α-SiC хорошо работает в неокисляющих и слабокислых средах, β-SiC остается стабильным в более агрессивных окислительных и сильнощелочных условиях, демонстрируя свою превосходную коррозионную стойкость в более широком диапазоне химических сред. .

Кроме того, коэффициент теплового расширения β-SiC близко соответствует коэффициенту теплового расширения графита, что делает его предпочтительным материалом для поверхностных покрытий на графитовой основе в оборудовании для эпитаксии пластин благодаря этим комбинированным свойствам.

3. Покрытия SiC и методы их приготовления

(1) SiC-покрытия

Покрытия SiC представляют собой тонкие пленки, образованные из β-SiC, наносимые на поверхность подложки с помощью различных процессов нанесения покрытия или осаждения. Эти покрытия обычно используются для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, стойкости к окислению и высокотемпературных характеристик. Покрытия из карбида кремния широко применяются на различных подложках, таких как керамика, металлы, стекло и пластмассы, и широко используются в аэрокосмической, автомобильной промышленности, электронике и других областях.

Рисунок 2: Микроструктура поперечного сечения покрытия SiC на поверхности графита.

(2)  Методы приготовления

Основные методы получения покрытий SiC включают химическое осаждение из паровой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD), методы напыления, электрохимическое осаждение и спекание покрытия в суспензии.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):

CVD является одним из наиболее часто используемых методов получения покрытий из карбида кремния. Во время процесса CVD газы-прекурсоры, содержащие кремний и углерод, вводятся в реакционную камеру, где они разлагаются при высоких температурах с образованием атомов кремния и углерода. Эти атомы адсорбируются на поверхности подложки и вступают в реакцию с образованием покрытия из карбида кремния. Контролируя ключевые параметры процесса, такие как скорость потока газа, температура осаждения, давление осаждения и время, можно точно подобрать толщину, стехиометрию, размер зерна, кристаллическую структуру и ориентацию покрытия в соответствии с конкретными требованиями применения. Еще одним преимуществом этого метода является его пригодность для покрытия больших оснований сложной формы с хорошей адгезией и заполняемостью. Однако прекурсоры и побочные продукты, используемые в процессе CVD, часто являются легковоспламеняющимися и коррозионными, что делает производство опасным. Кроме того, коэффициент использования сырья относительно низок, а затраты на подготовку высоки.

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD):

PVD предполагает использование физических методов, таких как термическое испарение или магнетронное распыление в высоком вакууме, для испарения материалов из карбида кремния высокой чистоты и их конденсации на поверхности подложки, образуя тонкую пленку. Этот метод позволяет точно контролировать толщину и состав покрытия, создавая плотные покрытия из карбида кремния, подходящие для высокоточных применений, таких как покрытия режущих инструментов, керамические покрытия, оптические покрытия и термобарьерные покрытия. Однако добиться равномерного покрытия компонентов сложной формы, особенно в углублениях или затененных участках, непросто. Кроме того, адгезия между покрытием и подложкой может быть недостаточной. Оборудование PVD является дорогостоящим из-за необходимости использования дорогостоящих высоковакуумных систем и прецизионного контрольно-измерительного оборудования. Кроме того, скорость осаждения низкая, что приводит к низкой эффективности производства, что делает его непригодным для крупномасштабного промышленного производства.

Техника распыления:

Это включает распыление жидких материалов на поверхность подложки и их отверждение при определенных температурах с образованием покрытия. Метод прост и экономически эффективен, но получаемые покрытия обычно демонстрируют слабую адгезию к подложке, плохую однородность, более тонкие покрытия и меньшую стойкость к окислению, что часто требует дополнительных методов для улучшения характеристик.

Электрохимическое осаждение:

Этот метод использует электрохимические реакции для осаждения карбида кремния из раствора на поверхность подложки. Контролируя потенциал электрода и состав раствора предшественника, можно добиться равномерного роста покрытия. Покрытия из карбида кремния, полученные этим методом, применимы в конкретных областях, таких как химические/биологические датчики, фотоэлектрические устройства, электродные материалы для литий-ионных батарей и коррозионностойкие покрытия.

Нанесение суспензии и спекание:

Этот метод предполагает смешивание материала покрытия со связующими для создания суспензии, которая равномерно наносится на поверхность подложки. После высыхания заготовку с покрытием спекают при высоких температурах в инертной атмосфере для формирования желаемого покрытия. Его преимущества включают простоту и легкость эксплуатации, а также контролируемую толщину покрытия, но прочность связи между покрытием и подложкой часто бывает слабее. Покрытия также имеют плохую термостойкость, низкую однородность и непоследовательные процессы, что делает их непригодными для массового производства.

В целом, выбор подходящего метода подготовки покрытия из карбида кремния требует всестороннего рассмотрения требований к производительности, характеристик подложки и затрат в зависимости от сценария применения.

4. Графитовые токоприемники с SiC-покрытием

Графитовые суцепторы с покрытием SiC играют решающую роль вПроцессы металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD), метод, широко используемый для изготовления тонких пленок и покрытий в области полупроводников, оптоэлектроники и других наук о материалах.

Рисунок 3

5. Функции графитовых подложек с покрытием SiC в оборудовании MOCVD.

Графитовые подложки, покрытые SiC, имеют решающее значение в процессах химического осаждения из паровой фазы органических органических соединений (MOCVD), технологии, широко используемой для изготовления тонких пленок и покрытий в области полупроводников, оптоэлектроники и других наук о материалах.

Рисунок 4.  Оборудование Semicorex CVD.

Поддерживающий оператор:При MOCVD полупроводниковые материалы могут расти слой за слоем на поверхности подложки пластины, образуя тонкие пленки с особыми свойствами и структурой.Графитовый носитель с покрытием SiCвыступает в качестве поддерживающего перевозчика, обеспечивая надежную и стабильную платформу дляэпитаксиятонких полупроводниковых пленок. Превосходная термическая стабильность и химическая инертность покрытия SiC поддерживают стабильность подложки в высокотемпературных средах, уменьшая реакции с агрессивными газами и обеспечивая высокую чистоту и постоянство свойств и структуры выращенных полупроводниковых пленок. Примеры включают графитовые подложки с покрытием SiC для эпитаксиального роста GaN в оборудовании MOCVD, графитовые подложки с покрытием SiC для эпитаксиального выращивания монокристаллического кремния (плоские подложки, круглые подложки, трехмерные подложки) и графитовые подложки с покрытием SiC дляЭпитаксиальный рост SiC.

Термическая стабильность и стойкость к окислению:Процесс MOCVD может включать высокотемпературные реакции и окисляющие газы. Покрытие SiC обеспечивает дополнительную термическую стабильность и защиту графитовой подложки от окисления, предотвращая выход из строя или окисление в высокотемпературных средах. Это имеет решающее значение для контроля и поддержания постоянства роста тонких пленок.

Управление интерфейсом материала и свойствами поверхности:Покрытие SiC может влиять на взаимодействие между пленкой и подложкой, влияя на режимы роста, согласование решеток и качество интерфейса. Регулируя свойства покрытия SiC, можно добиться более точного роста материала и контроля границы раздела, улучшая производительностьэпитаксиальные пленки.

Снижение загрязнения примесями:Высокая чистота покрытий SiC позволяет свести к минимуму загрязнение графитовых подложек примесями, гарантируя, чтовыращенные эпитаксиальные пленкииметь требуемую высокую чистоту. Это жизненно важно для производительности и надежности полупроводниковых устройств.

Рисунок 5: ПолукорексГрафитовый рецептор с SiC-покрытиемв роли носителя пластин в эпитаксии

В итоге,Графитовые подложки с покрытием SiCобеспечить лучшую поддержку основания, термическую стабильность и контроль интерфейса в процессах MOCVD, способствуя росту и подготовке высококачественныхэпитаксиальные пленки.

6. Заключение и перспективы

В настоящее время исследовательские институты Китая занимаются улучшением производственных процессов.графитовые токоприемники с покрытием из карбида кремния, повышая чистоту и однородность покрытия, а также увеличивая качество и срок службы покрытий SiC при одновременном снижении производственных затрат. Одновременно они изучают способы внедрения интеллектуальных производственных процессов для графитовых подложек с покрытием из карбида кремния для повышения эффективности производства и качества продукции. Промышленность увеличивает инвестиции в индустриализациюграфитовые подложки с покрытием из карбида кремния, увеличивая масштабы производства и качество продукции для удовлетворения потребностей рынка. В последнее время исследовательские институты и отрасли активно изучают новые технологии нанесения покрытий, такие как нанесениеПокрытия TaC на графитовых токоприемниках, для улучшения теплопроводности и коррозионной стойкости.**

Semicorex предлагает высококачественные компоненты для материалов с CVD-покрытием SiC. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон +86-13567891907.

Электронная почта: sales@semicorex.com