تاریخچه مختصری از کاربید سیلیکون و کاربردهای پوشش های کاربید سیلیکون

1. توسعه SiC

در سال 1893، ادوارد گودریچ آچسون، کاشف SiC، یک کوره مقاومتی با استفاده از مواد کربنی - معروف به کوره آچسون - طراحی کرد تا تولید صنعتی کاربید سیلیکون را با حرارت دادن الکتریکی مخلوط کوارتز و کربن آغاز کند. او متعاقباً برای این اختراع ثبت اختراع کرد.

از اوایل تا اواسط قرن بیستم، به دلیل سختی و مقاومت در برابر سایش استثنایی، کاربید سیلیکون در درجه اول به عنوان یک ساینده در ابزارهای سنگ زنی و برش استفاده می شد.

در طول دهه 1950 و 1960، با ظهورفناوری رسوب بخار شیمیایی (CVD)دانشمندانی مانند Rustum Roy در آزمایشگاه Bell در ایالات متحده پیشگام تحقیق در مورد فناوری CVD SiC بودند. آنها فرآیندهای رسوب بخار SiC را توسعه دادند و اکتشافات اولیه را در مورد خواص و کاربردهای آن انجام دادند و به اولین رسوب گذاری رسیدند.پوشش های SiC روی سطوح گرافیت. این کار یک پایه اساسی برای تهیه CVD مواد پوشش SiC ایجاد کرد.

در سال 1963، هوارد واچتل و جوزف ولز، محققان آزمایشگاه بل، CVD Incorporated را با تمرکز بر توسعه فن‌آوری‌های رسوب بخار شیمیایی برای SiC و سایر مواد پوشش سرامیکی، تأسیس کردند. در سال 1974، آنها به اولین تولید صنعتی دست یافتندمحصولات گرافیت با پوشش کاربید سیلیکون. این نقطه عطف پیشرفت قابل توجهی را در فناوری پوشش‌های کاربید سیلیکون بر روی سطوح گرافیت نشان داد و راه را برای کاربرد گسترده آنها در زمینه‌هایی مانند نیمه‌رساناها، اپتیک و هوا فضا هموار کرد.

در دهه 1970، محققان شرکت یونیون کاربید (در حال حاضر یک شرکت تابعه کاملاً تحت مالکیت Dow Chemical) برای اولین بار درخواست کردند.پایه های گرافیت پوشش داده شده با کاربید سیلیکوندر رشد اپیتاکسیال مواد نیمه هادی مانند نیترید گالیم (GaN). این فناوری برای تولید با کارایی بالا بسیار مهم بودLED های مبتنی بر GaN(دیودهای ساطع کننده نور) و لیزرها، زمینه را برای کارهای بعدی فراهم می کندتکنولوژی اپیتاکسی کاربید سیلیکونو تبدیل شدن به نقطه عطف قابل توجهی در کاربرد مواد کاربید سیلیکون در زمینه نیمه هادی.

از دهه 1980 تا اوایل قرن بیست و یکم، پیشرفت‌ها در فناوری‌های تولید، کاربردهای صنعتی و تجاری پوشش‌های کاربید سیلیکون را از هوا فضا به خودروسازی، الکترونیک قدرت، تجهیزات نیمه‌رسانا و اجزای مختلف صنعتی به عنوان پوشش‌های ضد خوردگی گسترش داد.

از اوایل قرن بیست و یکم تا به امروز، توسعه پاشش حرارتی، PVD و نانوتکنولوژی روش‌های جدیدی را برای تهیه پوشش معرفی کرده است. محققان شروع به کاوش و توسعه پوشش‌های کاربید سیلیکون در مقیاس نانو برای افزایش عملکرد مواد کردند.

به طور خلاصه، فناوری آماده سازی برایپوشش های کاربید سیلیکون CVDطی چند دهه گذشته از تحقیقات آزمایشگاهی به کاربردهای صنعتی تبدیل شده است و به پیشرفت ها و پیشرفت های مستمری دست یافته است.

2. ساختار کریستالی SiC و زمینه های کاربردی

کاربید سیلیکون بیش از 200 نوع پلی‌تیپ دارد که عمدتاً بر اساس آرایش اتم‌های کربن و سیلیکون به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند: مکعب (3C)، شش ضلعی (H) و Rhombohedral®. نمونه های رایج عبارتند از 2H-SiC، 3C-SiC، 4H-SiC، 6H-SiC، و 15R-SiC. اینها را می توان به طور کلی به دو نوع عمده تقسیم کرد:

شکل 1: ساختار کریستالی کاربید سیلیکون

α-SiC:این ساختار پایدار در دمای بالا و نوع ساختار اصلی موجود در طبیعت است.

β-SiC:این ساختار پایدار در دمای پایین است که می تواند با واکنش سیلیکون و کربن در حدود 1450 درجه سانتیگراد تشکیل شود. β-SiC می تواند در دمای بین 2100-2400 درجه سانتیگراد به α-SiC تبدیل شود.

پلی تایپ های مختلف SiC کاربردهای متفاوتی دارند. به عنوان مثال، 4H-SiC در α-SiC برای ساخت دستگاه های پرقدرت مناسب است، در حالی که 6H-SiC پایدارترین نوع است و در دستگاه های اپتوالکترونیک استفاده می شود. β-SiC، جدای از استفاده در دستگاه های RF، به عنوان یک لایه نازک و مواد پوشش دهنده در محیط های با دمای بالا، سایش بالا و بسیار خورنده نیز مهم است و عملکردهای محافظتی را ارائه می دهد. β-SiC چندین مزیت نسبت به α-SiC دارد:

(1)رسانایی حرارتی آن بین 120-200 W/m·K، به طور قابل توجهی بالاتر از α-SiC 100-140 W/m·K است.

(2) β-SiC سختی و مقاومت در برابر سایش بالاتری را نشان می دهد.

(3) از نظر مقاومت در برابر خوردگی، در حالی که α-SiC در محیط های غیر اکسید کننده و اسیدی خفیف عملکرد خوبی دارد، β-SiC در شرایط اکسید کننده تهاجمی و قلیایی قوی تر پایدار می ماند و مقاومت به خوردگی برتر خود را در طیف وسیع تری از محیط های شیمیایی نشان می دهد. .

علاوه بر این، ضریب انبساط حرارتی β-SiC بسیار با گرافیت مطابقت دارد و به دلیل این ویژگی‌های ترکیبی، آن را به ماده ترجیحی برای پوشش‌های سطحی روی پایه‌های گرافیت در تجهیزات اپیتاکسی ویفر تبدیل می‌کند.

3. پوشش های SiC و روش های آماده سازی

(1) پوشش های SiC

پوشش‌های SiC لایه‌های نازکی هستند که از β-SiC تشکیل می‌شوند و از طریق فرآیندهای مختلف پوشش یا رسوب‌گذاری روی سطوح زیرلایه اعمال می‌شوند. این پوشش‌ها معمولاً برای افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و عملکرد در دمای بالا استفاده می‌شوند. پوشش‌های کاربید سیلیکون کاربردهای گسترده‌ای در زیرلایه‌های مختلف مانند سرامیک، فلزات، شیشه و پلاستیک دارند و به طور گسترده در هوافضا، ساخت خودرو، الکترونیک و سایر زمینه‌ها استفاده می‌شوند.

شکل 2: ریزساختار مقطعی پوشش SiC روی سطح گرافیت

(2)  روش های آماده سازی

روش‌های اصلی برای تهیه پوشش‌های SiC شامل رسوب شیمیایی بخار (CVD)، رسوب فیزیکی بخار (PVD)، تکنیک‌های پاشش، رسوب الکتروشیمیایی و تف جوشی پوشش دوغاب می‌باشد.

رسوب بخار شیمیایی (CVD):

CVD یکی از متداول ترین روش ها برای تهیه پوشش های کاربید سیلیکون است. در طی فرآیند CVD، گازهای پیش ساز حاوی سیلیکون و کربن به محفظه واکنش وارد می شوند، جایی که در دمای بالا تجزیه می شوند و اتم های سیلیکون و کربن تولید می کنند. این اتم ها روی سطح زیرلایه جذب می شوند و برای تشکیل پوشش کاربید سیلیکون واکنش نشان می دهند. با کنترل پارامترهای کلیدی فرآیند مانند سرعت جریان گاز، دمای رسوب، فشار رسوب و زمان، ضخامت، استوکیومتری، اندازه دانه، ساختار کریستالی و جهت پوشش را می توان دقیقاً برای برآوردن نیازهای کاربردی خاص تنظیم کرد. از دیگر مزایای این روش، مناسب بودن آن برای پوشش بسترهای بزرگ و پیچیده با قابلیت چسبندگی و پرکردن خوب است. با این حال، پیش سازها و محصولات جانبی مورد استفاده در فرآیند CVD اغلب قابل اشتعال و خورنده هستند و تولید را خطرناک می کنند. علاوه بر این، میزان استفاده از مواد خام نسبتا کم است و هزینه های آماده سازی نیز بالا است.

رسوب بخار فیزیکی (PVD):

PVD شامل استفاده از روش‌های فیزیکی مانند تبخیر حرارتی یا کندوپاش مگنترون تحت خلاء بالا برای تبخیر کردن مواد کاربید سیلیکون با خلوص بالا و متراکم کردن آنها بر روی سطح بستر و تشکیل یک لایه نازک است. این روش امکان کنترل دقیق ضخامت و ترکیب پوشش را فراهم می‌کند و پوشش‌های کاربید سیلیکونی متراکم را برای کاربردهای با دقت بالا مانند پوشش‌های ابزار برش، پوشش‌های سرامیکی، پوشش‌های نوری و پوشش‌های مانع حرارتی تولید می‌کند. با این حال، دستیابی به پوشش یکنواخت روی اجزای پیچیده شکل، به ویژه در فرورفتگی ها یا مناطق سایه دار، چالش برانگیز است. علاوه بر این، چسبندگی بین پوشش و بستر ممکن است ناکافی باشد. تجهیزات PVD به دلیل نیاز به سیستم های گران قیمت با خلاء بالا و تجهیزات کنترل دقیق پرهزینه است. علاوه بر این، سرعت رسوب آهسته است و در نتیجه راندمان تولید پایین است و آن را برای تولید صنعتی در مقیاس بزرگ نامناسب می کند.

تکنیک سمپاشی:

این شامل پاشیدن مواد مایع بر روی سطح بستر و پخت آنها در دماهای خاص برای تشکیل یک پوشش است. این روش ساده و مقرون به صرفه است، اما پوشش‌های حاصل معمولاً چسبندگی ضعیفی به بستر، یکنواختی ضعیف‌تر، پوشش‌های نازک‌تر و مقاومت کمتر در برابر اکسیداسیون نشان می‌دهند که اغلب به روش‌های تکمیلی برای افزایش عملکرد نیاز دارند.

رسوب الکتروشیمیایی:

این تکنیک از واکنش های الکتروشیمیایی برای رسوب کاربید سیلیکون از محلول بر روی سطح بستر استفاده می کند. با کنترل پتانسیل الکترود و ترکیب محلول پیش ساز می توان به رشد پوشش یکنواخت دست یافت. پوشش‌های کاربید سیلیکون تهیه‌شده با این روش در زمینه‌های خاصی مانند حسگرهای شیمیایی/بیولوژیکی، دستگاه‌های فتوولتائیک، مواد الکترود برای باتری‌های لیتیوم یونی و پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی قابل استفاده هستند.

پوشش دوغاب و پخت:

این روش شامل مخلوط کردن مواد پوشش با بایندرها برای ایجاد یک دوغاب است که به طور یکنواخت روی سطح زیرلایه اعمال می شود. پس از خشک شدن، قطعه کار پوشش داده شده در دمای بالا در یک اتمسفر بی اثر پخته می شود تا پوشش مورد نظر ایجاد شود. از مزایای آن می توان به عملکرد ساده و آسان و ضخامت پوشش قابل کنترل اشاره کرد، اما استحکام اتصال بین پوشش و بستر اغلب ضعیف تر است. این پوشش ها همچنین دارای مقاومت در برابر شوک حرارتی ضعیف، یکنواختی کمتر و فرآیندهای ناسازگار هستند که آنها را برای تولید انبوه نامناسب می کند.

به طور کلی، انتخاب روش مناسب برای تهیه پوشش کاربید سیلیکون مستلزم در نظر گرفتن جامع الزامات عملکرد، ویژگی‌های بستر و هزینه‌ها بر اساس سناریوی کاربرد است.

4. گیرنده های گرافیت با پوشش SiC

گیرنده های گرافیت با پوشش SiC در این زمینه بسیار مهم هستندفرآیندهای رسوب بخار شیمیایی آلی فلزات (MOCVD).، تکنیکی است که به طور گسترده برای تهیه لایه ها و پوشش های نازک در زمینه های نیمه هادی ها، اپتوالکترونیک و سایر علوم مواد استفاده می شود.

شکل 3

5. عملکرد بسترهای گرافیتی با پوشش SiC در تجهیزات MOCVD

بسترهای گرافیتی با پوشش SiC در فرآیندهای رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی (MOCVD) حیاتی هستند، تکنیکی که به طور گسترده برای تهیه لایه های نازک و پوشش ها در زمینه های نیمه هادی ها، اپتوالکترونیک و سایر علوم مواد استفاده می شود.

شکل 4:  تجهیزات CVD Semicorex

حامل پشتیبان:در MOCVD، مواد نیمه هادی می توانند لایه به لایه روی سطح بستر ویفر رشد کنند و لایه های نازکی با خواص و ساختارهای خاص تشکیل دهند.حامل گرافیت با پوشش SiCبه عنوان یک حامل پشتیبان عمل می کند و یک پلت فرم قوی و پایدار برای آن فراهم می کنداپیتاکسیلایه های نازک نیمه هادی پایداری حرارتی عالی و بی اثری شیمیایی پوشش SiC، پایداری بستر را در محیط‌های با دمای بالا حفظ می‌کند، واکنش‌ها با گازهای خورنده را کاهش می‌دهد و از خلوص بالا و خواص و ساختارهای ثابت لایه‌های نیمه‌رسانای رشد یافته اطمینان می‌دهد. به عنوان مثال می‌توان به بسترهای گرافیتی با پوشش SiC برای رشد هم‌بعدی GaN در تجهیزات MOCVD، زیرلایه‌های گرافیتی پوشش‌داده‌شده با SiC برای رشد هم‌بستر سیلیکونی تک‌کریستالی (زیرهای تخت، بسترهای گرد، بسترهای سه‌بعدی)، و بسترهای گرافیتی با پوشش SiC برای رشد هم‌بعدی اشاره کرد.رشد اپیتاکسیال SiC.

پایداری حرارتی و مقاومت در برابر اکسیداسیون:فرآیند MOCVD ممکن است شامل واکنش های دمای بالا و گازهای اکسید کننده باشد. پوشش SiC پایداری حرارتی و محافظت در برابر اکسیداسیون اضافی را برای بستر گرافیت فراهم می کند و از شکست یا اکسیداسیون در محیط های با دمای بالا جلوگیری می کند. این برای کنترل و حفظ ثبات رشد لایه نازک بسیار مهم است.

کنترل ویژگی های رابط و سطح مواد:پوشش SiC می تواند بر تعاملات بین فیلم و بستر تأثیر بگذارد و بر حالت های رشد، تطابق شبکه و کیفیت رابط تأثیر بگذارد. با تنظیم خواص پوشش SiC، رشد مواد و کنترل رابط دقیق تری را می توان به دست آورد و عملکرد را بهبود بخشید.فیلم های اپیتاکسیال.

کاهش آلودگی ناخالصی:خلوص بالای پوشش‌های SiC می‌تواند آلودگی ناخالصی زیرلایه‌های گرافیت را به حداقل برساند و تضمین کند کهفیلم های اپیتاکسیال رشد یافتهخلوص بالای مورد نیاز را داشته باشد. این برای عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه های نیمه هادی حیاتی است.

شکل 5: Semicorexگیرنده گرافیت با پوشش SiCبه عنوان حامل ویفر در Epitaxy

به طور خلاصه،بسترهای گرافیتی با پوشش SiCارائه پشتیبانی بهتر پایه، پایداری حرارتی و کنترل رابط در فرآیندهای MOCVD، ارتقاء رشد و تهیه مواد با کیفیت بالافیلم های اپیتاکسیال.

6. نتیجه گیری و چشم انداز

در حال حاضر، موسسات تحقیقاتی در چین به بهبود فرآیندهای تولید اختصاص دارندگیرنده های گرافیت با پوشش کاربید سیلیکونافزایش خلوص و یکنواختی پوشش و افزایش کیفیت و طول عمر پوشش های SiC در عین کاهش هزینه های تولید. به طور همزمان، آنها در حال بررسی راه‌هایی برای دستیابی به فرآیندهای تولید هوشمند برای زیرلایه‌های گرافیتی با پوشش کاربید سیلیکون هستند تا کارایی تولید و کیفیت محصول را بهبود بخشند. این صنعت در حال افزایش سرمایه گذاری در صنعتی شدن استبسترهای گرافیت با پوشش کاربید سیلیکون، افزایش مقیاس تولید و کیفیت محصول برای پاسخگویی به نیازهای بازار. اخیراً، مؤسسات تحقیقاتی و صنایع به طور فعال در حال کاوش در فناوری‌های پوشش‌دهی جدید، مانند استفاده ازپوشش‌های TaC روی گیرنده‌های گرافیت، برای بهبود هدایت حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی.**

Semicorex اجزای با کیفیت بالا را برای مواد با پوشش سی سی سی سی وی دی ارائه می دهد. اگر سؤالی دارید یا نیاز به جزئیات بیشتری دارید، لطفاً در تماس با ما دریغ نکنید.

تلفن تماس 86-13567891907

ایمیل: sales@semicorex.com