Silizio-karburoaren historia laburra eta silizio-karburoko estalduren aplikazioak

1. SiC garapena

1893an, Edward Goodrich Achesonek, SiC-ren aurkitzaileak, erresistentzia-labe bat diseinatu zuen karbonozko materialak erabiliz —Acheson labea izenez ezagutzen dena— siliziozko karburoaren ekoizpen industriala hasteko, kuartzo eta karbono nahasketa bat elektrikoki berotuz. Ondoren, asmakizun honen patentea aurkeztu zuen.

mendearen hasieratik erdialdera arte, bere gogortasun eta higadura erresistentzia paregabeagatik, silizio-karburoa artezteko eta ebaketa-tresnetan urratzaile gisa erabiltzen zen batez ere.

1950eko eta 1960ko hamarkadetan zehar, ren etorrerarekinlurrun-deposizio kimikoa (CVD) teknologia, Estatu Batuetako Bell Labs-eko Rustum Roy bezalako zientzialariek CVD SiC teknologiaren ikerketan aitzindari izan ziren. SiC lurrun-jadaketa-prozesuak garatu zituzten eta bere propietate eta aplikazioetan aurretiazko esplorazioak egin zituzten, lehen metaketa lortuz.SiC estaldurak grafitozko gainazaletan. Lan honek oinarri erabakigarria ezarri zuen SiC estaldura-materialen CVD prestatzeko.

1963an, Howard Wachtel eta Joseph Wells Bell Labs-eko ikertzaileek CVD Incorporated sortu zuten, SiC eta beste estaldura zeramikazko material batzuen lurrun-deposizio kimikoen teknologiak garatzeari begira. 1974an, lehen produkzio industriala lortu zutensilizio karburoz estalitako grafitozko produktuak. Mugarri honek aurrerapen handia eman zuen silizio-karburoko estalduren teknologian grafitozko gainazaletan, erdieroaleetan, optikan eta aeroespaziala bezalako eremuetan zabaltzeko bidea irekiz.

1970eko hamarkadan, Union Carbide Corporation-eko ikertzaileek (gaur egun Dow Chemical-en erabateko filiala) aplikatu zuten lehen aldizsilizio karburoz estalitako grafitozko oinarriakgalio nitruroa (GaN) bezalako material erdieroaleen hazkunde epitaxialean. Teknologia hau funtsezkoa izan zen errendimendu handiko fabrikaziorakoGaN oinarritutako LEDak(argi-igorleko diodoak) eta laserrak, ondorengorako oinarriak ezarrizsilizio-karburoaren epitaxia teknologiaeta erdieroaleen eremuan silizio karburozko materialen aplikazioan mugarri esanguratsu bilakatzea.

1980ko hamarkadatik XXI. mendearen hasierara arte, fabrikazio teknologien aurrerapenek siliziozko karburozko estalduren aplikazio industrialak eta komertzialak hedatu zituzten aeroespazialetik automoziora, potentzia-elektronika, erdieroale ekipamenduak eta hainbat osagai industrial korrosioaren aurkako estaldura gisa.

mende hasieratik gaur egunera arte, ihinztadura termikoaren, PVDaren eta nanoteknologiaren garapenak estaldurak prestatzeko metodo berriak sartu ditu. Ikertzaileak nanoeskalako silizio karburoko estaldurak aztertzen eta garatzen hasi ziren, materialaren errendimendua are gehiago hobetzeko.

Laburbilduz, prestatzeko teknologiaCVD silizio-karburozko estalduraklaborategiko ikerketatik industria aplikazioetara igaro da azken hamarkadetan, etengabeko aurrerapenak eta aurrerapenak lortuz.

2. SiC kristalaren egitura eta aplikazio eremuak

Silizio karburoak 200 politipo baino gehiago ditu, batez ere karbono eta silizio atomoen pilaketa-antolamenduan oinarrituta hiru talde nagusitan sailkatuta: kubikoa (3C), hexagonala (H) eta rhomboedral ®. Adibide arruntak 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC eta 15R-SiC dira. Hauek, oro har, bi mota nagusitan bana daitezke:

1. Irudia: Silizio Karburoaren Kristal Egitura

α-SiC:Hau da tenperatura altuko egitura egonkorra eta naturan aurkitutako jatorrizko egitura mota.

β-SiC:Hau tenperatura baxuko egitura egonkorra da, silizioa eta karbonoa 1450 °C inguruan erreakzionatuz sor daitekeena. β-SiC α-SiC bihur daiteke 2100-2400°C arteko tenperaturetan.

SiC politipo ezberdinek erabilera desberdinak dituzte. Adibidez, α-SiC-n 4H-SiC potentzia handiko gailuak fabrikatzeko egokia da, 6H-SiC motarik egonkorrena da eta gailu optoelektronikoetan erabiltzen da. β-SiC, RF gailuetan erabiltzeaz gain, film mehe eta estaldura material gisa ere garrantzitsua da tenperatura altuko, higadura handiko eta oso korrosiboak diren inguruneetan, babes funtzioak eskaintzen ditu. β-SiC-k hainbat abantaila ditu α-SiC-ren aldean:

(1)Bere eroankortasun termikoa 120-200 W/m·K bitartekoa da, α-SiC-ren 100-140 W/m·K baino nabarmen handiagoa.

(2) β-SiC-k gogortasun eta higadura erresistentzia handiagoa du.

(3) Korrosioarekiko erresistentziari dagokionez, α-SiC ingurune azido ez-oxidatzaileetan eta arinki azidoetan ondo funtzionatzen duen bitartean, β-SiC egonkor mantentzen da baldintza oxidatzaile eta biziki alkalino oldarkorragoetan, eta korrosioarekiko erresistentzia handiagoa erakusten du ingurune kimiko sorta zabalago batean. .

Gainera, β-SiC-en hedapen termikoaren koefizientea grafitoarenarekin bat dator, eta, ondorioz, grafito-oinarrien gainazaleko estaldurak egiteko material hobetsia da obleen epitaxia ekipoetan, propietate konbinatu hauen ondorioz.

3. SiC estaldurak eta prestaketa metodoak

(1) SiC estaldurak

SiC estaldurak β-SiC-tik eratutako film meheak dira, substratuaren gainazaletan estaldura edo deposizio prozesu ezberdinen bidez aplikatzen direnak. Estaldura hauek gogortasuna, higadura erresistentzia, korrosioarekiko erresistentzia, oxidazioarekiko erresistentzia eta tenperatura altuko errendimendua hobetzeko erabiltzen dira. Silizio karburozko estaldurek aplikazio zabalak dituzte hainbat substratutan, hala nola zeramika, metal, beira eta plastikoetan, eta asko erabiltzen dira aeroespazialean, automobilgintzan, elektronikan eta beste alor batzuetan.

2. irudia: SiC estalduraren mikroegitura grafitoaren gainazalean

(2)  Prestaketa metodoak

SiC estaldurak prestatzeko metodo nagusiak honako hauek dira: lurrun-deposizio kimikoa (CVD), lurrun-jarrera fisikoa (PVD), ihinztadura-teknikak, deposizio elektrokimikoa eta minda estalduraren sinterizazioa.

Lurrun-deposizio kimikoa (CVD):

CVD silizio karburozko estaldurak prestatzeko metodorik erabilienetako bat da. CVD prozesuan, silizioa eta karbonoa duten gas aitzindariak erreakzio-ganbera batean sartzen dira, non tenperatura altuetan deskonposatzen diren silizioa eta karbono atomoak sortzeko. Atomo hauek substratuaren gainazalean xurgatzen dute eta erreakzionatzen dute silizio karburozko estaldura sortzeko. Prozesuaren funtsezko parametroak kontrolatuz, hala nola, gas-emaria, jalkitze-tenperatura, deposizio-presioa eta denbora, lodiera, estekiometria, ale-tamaina, kristal-egitura eta estalduraren orientazioa zehatz-mehatz egokitu daitezke aplikazio-eskakizun zehatzak betetzeko. Metodo honen beste abantaila bat itsasgarri eta betetzeko gaitasun onak dituzten substratu handi eta konplexuak estaltzeko egokia da. Hala ere, CVD prozesuan erabiltzen diren aitzindariak eta azpiproduktuak sukoiak eta korrosiboak izan ohi dira, eta ekoizpena arriskutsua da. Gainera, lehengaien erabilera-tasa nahiko baxua da, eta prestatzeko kostuak handiak dira.

Lurrun-jarrera fisikoa (PVD):

PVD-k metodo fisikoak erabiltzea dakar, hala nola lurrunketa termikoa edo magnetron sputtering huts handian, purutasun handiko silizio karburozko materialak lurruntzeko eta substratuaren gainazalean kondentsatzeko, film mehe bat osatuz. Metodo honek estalduraren lodiera eta konposizioaren kontrol zehatza ahalbidetzen du, silizio karburozko estaldura trinkoak ekoizten dituena, doitasun handiko aplikazioetarako egokiak, hala nola ebaketa-tresnen estaldurak, zeramikazko estaldurak, estaldura optikoak eta hesi termikoko estaldurak. Dena den, zaila da forma konplexuko osagaietan estaldura uniformea ​​lortzea, batez ere zirrikitu edo itzalguneetan. Gainera, estalduraren eta substratuaren arteko atxikimendua ez da nahikoa izan. PVD ekipamendua garestia da huts handiko sistema garestiak eta doitasun kontrolerako ekipoak behar direlako. Gainera, jalkitze-tasa motela da eta, ondorioz, produkzio-eraginkortasun baxua da, eta eskala handiko industria-ekoizpenerako desegokia da.

Ihinztatzeko teknika:

Honek material likidoak substratuaren gainazalean ihinztatzea eta tenperatura zehatzetan ontzea dakar estaldura bat osatzeko. Metodoa sinplea eta errentagarria da, baina ondoriozko estaldurek normalean atxikimendu ahula erakusten dute substratuarekiko, uniformetasun eskasagoa, estaldura meheagoak eta oxidazioarekiko erresistentzia txikiagoa, askotan errendimendua hobetzeko metodo osagarriak eskatzen dituzte.

Deposizio elektrokimikoa:

Teknika honek erreakzio elektrokimikoak erabiltzen ditu disoluzio batetik silizio karburoa substratuaren gainazalean metatzeko. Elektrodoaren potentziala eta disoluzioaren konposizioa kontrolatuz, estaldura uniformearen hazkuntza lor daiteke. Metodo honen bidez prestatutako silizio karburozko estaldurak eremu zehatz batzuetan aplikatzen dira, hala nola, sentsore kimiko/biologikoetan, gailu fotovoltaikoetan, litio-ioizko baterien elektrodoen materialetan eta korrosioarekiko erresistenteak diren estalduretan.

Minda estaldura eta sinterizazioa:

Metodo honek estaldura-materiala aglutinatzaileekin nahastea dakar, minda bat sortzeko, substratuaren gainazalean uniformeki aplikatzen dena. Lehortu ondoren, estalitako pieza tenperatura altuetan sinterizatzen da atmosfera geldo batean, nahi den estaldura osatzeko. Bere abantailak funtzionamendu sinple eta erraza eta estalduraren lodiera kontrolagarria dira, baina estalduraren eta substratuaren arteko lotura-indarra ahulagoa da askotan. Estaldurak kolpe termikoen erresistentzia eskasa, uniformetasun txikiagoa eta prozesu koherenteak ere badituzte, eta, ondorioz, desegokiak dira masa ekoizpenerako.

Oro har, silizio-karburoaren estaldura prestatzeko metodo egokia hautatzeak errendimendu-baldintzak, substratuaren ezaugarriak eta kostuak kontuan hartu behar ditu aplikazioaren eszenatokiaren arabera.

4. SiC estalitako grafito suszeptoreak

SiC estalitako grafito suszeptoreak funtsezkoak diraMetal Organic Chemical Bapor Deposition (MOCVD) prozesuak, film meheak eta estaldurak prestatzeko oso erabilia den teknika erdieroaleen, optoelektronikaren eta beste materialen zientzien alorretan.

3. irudia

5. SiC estalitako grafito-substratuen funtzioak MOCVD ekipoetan

SiC estalitako grafitoaren substratuak funtsezkoak dira Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) prozesuetan, film meheak eta estaldurak prestatzeko oso erabilia den teknika erdieroaleen, optoelektronikaren eta beste materialen zientzien alorretan.

4. irudia:  Semicorex CVD ekipoa

Garraiolari laguntzailea:MOCVDn, material erdieroaleak geruzaz geruza hazi daitezke obleen substratuaren gainazalean, propietate eta egitura zehatzak dituzten film meheak osatuz.SiC estalitako grafito-eramaileaeuskarri gisa jarduten du, plataforma sendo eta egonkorra eskainizepitaxiafilm mehe erdieroaleak. SiC estalduraren egonkortasun termiko bikainak eta inertetasun kimikoak substratuaren egonkortasuna mantentzen dute tenperatura altuko inguruneetan, gas korrosiboekiko erreakzioak murriztuz eta hazitako film erdieroaleen purutasun eta propietate eta egitura koherenteak bermatuz. Adibideak honako hauek dira: MOCVD ekipoetan GaN hazkuntza epitaxialerako SiC estalitako grafito-substratuak, SiC-ez estalitako grafito-substratuak kristal bakarreko silizio-hazkuntza epitaxialerako (substratu lauak, substratu biribilak, hiru dimentsioko substratuak) eta SiC estalitako grafito-substratuak.SiC hazkunde epitaxiala.

Egonkortasun termikoa eta oxidazio erresistentzia:MOCVD prozesuak tenperatura altuko erreakzioak eta gas oxidatzaileak izan ditzake. SiC estaldurak egonkortasun termiko eta oxidazio babes gehigarria eskaintzen dio grafitoaren substratuari, tenperatura altuko inguruneetan hutsegite edo oxidazioa saihestuz. Hori funtsezkoa da film mehearen hazkuntzaren koherentzia kontrolatzeko eta mantentzeko.

Materialen interfazea eta gainazalaren propietateen kontrola:SiC estaldurak filmaren eta substratuaren arteko elkarrekintzan eragin dezake, hazkuntza moduak, sarearen parekatzea eta interfazearen kalitatea eraginez. SiC estalduraren propietateak egokituz, materialaren hazkuntza eta interfazearen kontrol zehatzagoa lor daiteke, errendimendua hobetuz.film epitaxialak.

Ezpurutasunen kutsadura murriztea:SiC estalduren garbitasun handiak grafitozko substratuetako ezpurutasunen kutsadura minimiza dezake,hazitako film epitaxialakbehar den garbitasun handia dute. Hau ezinbestekoa da gailu erdieroaleen errendimendua eta fidagarritasuna lortzeko.

5. irudia: Semicorex-aSiC estalitako grafito-hartzaileaWafer Carrier gisa Epitaxian

Laburbilduz,SiC estalitako grafito-substratuakMOCVD prozesuetan oinarrizko euskarria, egonkortasun termikoa eta interfazearen kontrol hobea eskaintzea, kalitate handiko hazkuntza eta prestaketa sustatuz.film epitaxialak.

6. Ondorioa eta aurreikuspenak

Gaur egun, Txinako ikerketa-erakundeak ekoizpen-prozesuak hobetzen ari dirasilizio karburoz estalitako grafito suszeptoreak, estalduraren garbitasuna eta uniformetasuna areagotuz, eta SiC estalduren kalitatea eta bizi-iraupena areagotuz, ekoizpen-kostuak murriztuz. Aldi berean, silizio karburoz estalitako grafitozko substratuetarako fabrikazio prozesu adimentsuak lortzeko bideak aztertzen ari dira, ekoizpenaren eraginkortasuna eta produktuaren kalitatea hobetzeko. Industriak industrian inbertsioak areagotzen ari dirasilizio karburoz estalitako grafitozko substratuak, ekoizpen eskala eta produktuaren kalitatea hobetuz merkatuaren eskakizunei erantzuteko. Duela gutxi, ikerketa-erakundeak eta industriak aktiboki aztertzen ari dira estaldura-teknologia berriak, hala nola, aplikazioaTaC estaldurak grafito suszeptoreetan, eroankortasun termikoa eta korrosioarekiko erresistentzia hobetzeko.**

Semicorex-ek kalitate handiko osagaiak eskaintzen ditu CVD SiC estalitako materialetarako. Kontsultarik baduzu edo xehetasun gehiago behar badituzu, ez izan zalantzarik eta jarri gurekin harremanetan.

Harremanetarako telefono zenbakia +86-13567891907

Posta elektronikoa: sales@semicorex.com