Una breve storia del carburo di silicio e applicazioni dei rivestimenti in carburo di silicio

1. Sviluppo del SiC

Nel 1893, Edward Goodrich Acheson, lo scopritore del SiC, progettò un forno a resistenza utilizzando materiali di carbonio, noto come forno Acheson, per iniziare la produzione industriale di carburo di silicio riscaldando elettricamente una miscela di quarzo e carbonio. Successivamente ha depositato un brevetto per questa invenzione.

Dall'inizio alla metà del XX secolo, grazie alla sua eccezionale durezza e resistenza all'usura, il carburo di silicio veniva utilizzato principalmente come abrasivo negli utensili da smerigliatura e da taglio.

Negli anni Cinquanta e Sessanta, con l'avvento deltecnologia di deposizione chimica in fase vapore (CVD)., scienziati come Rustum Roy dei Bell Labs negli Stati Uniti hanno aperto la strada alla ricerca sulla tecnologia SiC CVD. Hanno sviluppato processi di deposizione in fase vapore del SiC e condotto esplorazioni preliminari sulle sue proprietà e applicazioni, ottenendo la prima deposizione delRivestimenti SiC su superfici in grafite. Questo lavoro ha gettato le basi cruciali per la preparazione CVD dei materiali di rivestimento SiC.

Nel 1963, i ricercatori dei Bell Labs Howard Wachtel e Joseph Wells fondarono CVD Incorporated, concentrandosi sullo sviluppo di tecnologie di deposizione chimica in fase vapore per SiC e altri materiali di rivestimento ceramici. Nel 1974 realizzarono la prima produzione industriale diprodotti in grafite rivestiti in carburo di silicio. Questa pietra miliare ha segnato un progresso significativo nella tecnologia dei rivestimenti in carburo di silicio su superfici di grafite, aprendo la strada alla loro ampia applicazione in campi quali i semiconduttori, l'ottica e l'aerospaziale.

Negli anni ’70, i ricercatori della Union Carbide Corporation (ora una consociata interamente controllata dalla Dow Chemical) applicarono per la prima voltabasi in grafite rivestita in carburo di silicionella crescita epitassiale di materiali semiconduttori come il nitruro di gallio (GaN). Questa tecnologia è stata fondamentale per la produzione ad alte prestazioniLED basati su GaN(diodi emettitori di luce) e laser, ponendo le basi per i successivitecnologia epitassia al carburo di silicioe diventando una pietra miliare significativa nell'applicazione dei materiali in carburo di silicio nel campo dei semiconduttori.

Dagli anni '80 all'inizio del 21° secolo, i progressi nelle tecnologie di produzione hanno ampliato le applicazioni industriali e commerciali dei rivestimenti in carburo di silicio dall'aerospaziale all'automotive, all'elettronica di potenza, alle apparecchiature per semiconduttori e a vari componenti industriali come rivestimenti anticorrosione.

Dall’inizio del 21° secolo ad oggi, lo sviluppo della spruzzatura termica, del PVD e delle nanotecnologie ha introdotto nuovi metodi di preparazione del rivestimento. I ricercatori hanno iniziato a esplorare e sviluppare rivestimenti in carburo di silicio su scala nanometrica per migliorare ulteriormente le prestazioni del materiale.

In sintesi, la tecnologia di preparazione perRivestimenti in carburo di silicio CVDnegli ultimi decenni è passata dalla ricerca di laboratorio alle applicazioni industriali, ottenendo continui progressi e scoperte.

2. Struttura cristallina del SiC e campi di applicazione

Il carburo di silicio ha oltre 200 politipi, classificati principalmente in tre gruppi principali in base alla disposizione degli atomi di carbonio e silicio: cubico (3C), esagonale (H) e romboedrico ®. Esempi comuni includono 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC e 15R-SiC. Questi possono essere sostanzialmente suddivisi in due tipologie principali:

Figura 1: struttura cristallina del carburo di silicio

α-SiC:Questa è la struttura stabile alle alte temperature e il tipo di struttura originale che si trova in natura.

β-SiC:Questa è la struttura stabile a bassa temperatura, che può essere formata facendo reagire silicio e carbonio a circa 1450°C. Il β-SiC può trasformarsi in α-SiC a temperature comprese tra 2100-2400°C.

Diversi politipi SiC hanno usi diversi. Ad esempio, il 4H-SiC in α-SiC è adatto per la produzione di dispositivi ad alta potenza, mentre il 6H-SiC è il tipo più stabile e viene utilizzato nei dispositivi optoelettronici. Il β-SiC, oltre ad essere utilizzato nei dispositivi RF, è importante anche come film sottile e materiale di rivestimento in ambienti ad alta temperatura, usura elevata e altamente corrosivi, fornendo funzioni protettive. Il β-SiC presenta numerosi vantaggi rispetto all'α-SiC:

(1)La sua conduttività termica è compresa tra 120 e 200 W/m·K, significativamente superiore ai 100-140 W/m·K dell'α-SiC.

(2) Il β-SiC mostra una maggiore durezza e resistenza all'usura.

(3) In termini di resistenza alla corrosione, mentre l'α-SiC funziona bene in ambienti non ossidanti e leggermente acidi, il β-SiC rimane stabile in condizioni ossidanti più aggressive e fortemente alcaline, dimostrando la sua resistenza alla corrosione superiore in una gamma più ampia di ambienti chimici .

Inoltre, il coefficiente di espansione termica del β-SiC corrisponde strettamente a quello della grafite, rendendolo il materiale preferito per i rivestimenti superficiali su basi di grafite nelle apparecchiature per l'epitassia dei wafer grazie a queste proprietà combinate.

3. Rivestimenti SiC e metodi di preparazione

(1) Rivestimenti SiC

I rivestimenti SiC sono pellicole sottili formate da β-SiC, applicate alle superfici del substrato attraverso vari processi di rivestimento o deposizione. Questi rivestimenti vengono generalmente utilizzati per migliorare la durezza, la resistenza all'usura, la resistenza alla corrosione, la resistenza all'ossidazione e le prestazioni alle alte temperature. I rivestimenti in carburo di silicio hanno ampie applicazioni su vari substrati come ceramica, metalli, vetro e plastica e sono ampiamente utilizzati nel settore aerospaziale, nella produzione automobilistica, nell'elettronica e in altri campi.

Figura 2: Microstruttura in sezione trasversale del rivestimento SiC sulla superficie di grafite

(2)  Metodi di preparazione

I metodi principali per la preparazione dei rivestimenti SiC comprendono la deposizione chimica da fase vapore (CVD), la deposizione fisica da fase vapore (PVD), le tecniche di spruzzatura, la deposizione elettrochimica e la sinterizzazione del rivestimento con impasto liquido.

Deposizione chimica da fase vapore (CVD):

Il CVD è uno dei metodi più comunemente utilizzati per la preparazione dei rivestimenti in carburo di silicio. Durante il processo CVD, i gas precursori contenenti silicio e carbonio vengono introdotti in una camera di reazione, dove si decompongono ad alte temperature per produrre atomi di silicio e carbonio. Questi atomi vengono adsorbiti sulla superficie del substrato e reagiscono per formare il rivestimento di carburo di silicio. Controllando i parametri chiave del processo come la portata del gas, la temperatura di deposizione, la pressione di deposizione e il tempo, lo spessore, la stechiometria, la dimensione dei grani, la struttura cristallina e l'orientamento del rivestimento possono essere personalizzati con precisione per soddisfare requisiti applicativi specifici. Un altro vantaggio di questo metodo è la sua idoneità a rivestire substrati grandi e di forma complessa con buone capacità di adesione e riempimento. Tuttavia, i precursori e i sottoprodotti utilizzati nel processo CVD sono spesso infiammabili e corrosivi, rendendo la produzione pericolosa. Inoltre, il tasso di utilizzo delle materie prime è relativamente basso e i costi di preparazione sono elevati.

Deposizione fisica da vapore (PVD):

Il PVD prevede l'utilizzo di metodi fisici come l'evaporazione termica o lo sputtering del magnetron sotto vuoto spinto per vaporizzare materiali in carburo di silicio di elevata purezza e condensarli sulla superficie del substrato, formando una pellicola sottile. Questo metodo consente un controllo preciso sullo spessore e sulla composizione del rivestimento, producendo rivestimenti densi di carburo di silicio adatti per applicazioni ad alta precisione come rivestimenti per utensili da taglio, rivestimenti ceramici, rivestimenti ottici e rivestimenti di barriera termica. Tuttavia, ottenere una copertura uniforme su componenti di forma complessa, in particolare in rientranze o aree ombreggiate, è impegnativo. Inoltre, l'adesione tra il rivestimento e il substrato può essere insufficiente. Le apparecchiature PVD sono costose a causa della necessità di costosi sistemi ad alto vuoto e apparecchiature di controllo di precisione. Inoltre, il tasso di deposizione è lento, con conseguente bassa efficienza produttiva, rendendolo inadatto alla produzione industriale su larga scala.

Tecnica di spruzzatura:

Ciò comporta la spruzzatura di materiali liquidi sulla superficie del substrato e la loro polimerizzazione a temperature specifiche per formare un rivestimento. Il metodo è semplice ed economico, ma i rivestimenti risultanti mostrano tipicamente una debole adesione al substrato, una minore uniformità, rivestimenti più sottili e una minore resistenza all'ossidazione, richiedendo spesso metodi supplementari per migliorare le prestazioni.

Deposizione elettrochimica:

Questa tecnica utilizza reazioni elettrochimiche per depositare il carburo di silicio da una soluzione sulla superficie del substrato. Controllando il potenziale dell'elettrodo e la composizione della soluzione precursore, è possibile ottenere una crescita uniforme del rivestimento. I rivestimenti in carburo di silicio preparati con questo metodo sono applicabili in campi specifici come sensori chimici/biologici, dispositivi fotovoltaici, materiali per elettrodi per batterie agli ioni di litio e rivestimenti resistenti alla corrosione.

Rivestimento e sinterizzazione dell'impasto liquido:

Questo metodo prevede la miscelazione del materiale di rivestimento con leganti per creare un impasto liquido, che viene applicato uniformemente sulla superficie del substrato. Dopo l'essiccazione, il pezzo rivestito viene sinterizzato ad alte temperature in un'atmosfera inerte per formare il rivestimento desiderato. I suoi vantaggi includono un funzionamento semplice e facile e uno spessore del rivestimento controllabile, ma la forza di legame tra il rivestimento e il substrato è spesso più debole. I rivestimenti presentano inoltre scarsa resistenza agli shock termici, minore uniformità e processi incoerenti, che li rendono inadatti alla produzione di massa.

Nel complesso, la scelta del metodo appropriato di preparazione del rivestimento in carburo di silicio richiede una considerazione completa dei requisiti prestazionali, delle caratteristiche del substrato e dei costi in base allo scenario applicativo.

4. Suscettori in grafite rivestiti in SiC

I suscettori in grafite rivestiti in SiC sono crucialiProcessi di deposizione di vapori chimici organici metallici (MOCVD)., una tecnica ampiamente utilizzata per la preparazione di film sottili e rivestimenti nei campi dei semiconduttori, dell'optoelettronica e di altre scienze dei materiali.

Figura 3

5. Funzioni dei substrati di grafite rivestiti in SiC nelle apparecchiature MOCVD

I substrati di grafite rivestiti con SiC sono cruciali nei processi MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), una tecnica ampiamente utilizzata per preparare film sottili e rivestimenti nei campi dei semiconduttori, dell'optoelettronica e di altre scienze dei materiali.

Figura 4: L'attrezzatura CVD Semicorex

Operatore di supporto:Nel MOCVD, i materiali semiconduttori possono crescere strato dopo strato sulla superficie del substrato del wafer, formando pellicole sottili con proprietà e strutture specifiche.Il supporto in grafite rivestito in SiCfunge da supporto di supporto, fornendo una piattaforma robusta e stabile per ilepitassiadi film sottili di semiconduttori. L'eccellente stabilità termica e l'inerzia chimica del rivestimento SiC mantengono la stabilità del substrato in ambienti ad alta temperatura, riducendo le reazioni con gas corrosivi e garantendo l'elevata purezza e proprietà e strutture costanti dei film semiconduttori cresciuti. Gli esempi includono substrati di grafite rivestiti di SiC per la crescita epitassiale di GaN in apparecchiature MOCVD, substrati di grafite rivestiti di SiC per la crescita epitassiale di silicio monocristallino (substrati piatti, substrati rotondi, substrati tridimensionali) e substrati di grafite rivestiti di SiC perCrescita epitassiale SiC.

Stabilità termica e resistenza all'ossidazione:Il processo MOCVD può comportare reazioni ad alta temperatura e gas ossidanti. Il rivestimento SiC fornisce ulteriore stabilità termica e protezione dall'ossidazione per il substrato di grafite, prevenendo guasti o ossidazione in ambienti ad alta temperatura. Questo è fondamentale per controllare e mantenere la consistenza della crescita del film sottile.

Controllo dell'interfaccia del materiale e delle proprietà della superficie:Il rivestimento SiC può influenzare le interazioni tra la pellicola e il substrato, influenzando le modalità di crescita, la corrispondenza del reticolo e la qualità dell'interfaccia. Regolando le proprietà del rivestimento SiC, è possibile ottenere una crescita del materiale e un controllo dell'interfaccia più precisi, migliorando le prestazionipellicole epitassiali.

Riduzione della contaminazione da impurità:L'elevata purezza dei rivestimenti SiC può ridurre al minimo la contaminazione da impurità provenienti dai substrati di grafite, garantendo che ilfilm epitassiali cresciutiavere l'elevata purezza richiesta. Ciò è vitale per le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi a semiconduttore.

Figura 5: Il SemicorexRecettore in grafite rivestito in SiCcome portatore di wafer in Epitassia

In sintesi,Substrati di grafite rivestiti con SiCfornire un migliore supporto di base, stabilità termica e controllo dell'interfaccia nei processi MOCVD, promuovendo la crescita e la preparazione di alta qualitàpellicole epitassiali.

6. Conclusione e prospettive

Attualmente, gli istituti di ricerca in Cina si dedicano al miglioramento dei processi di produzionesuscettori in grafite rivestiti in carburo di silicio, migliorando la purezza e l'uniformità del rivestimento e aumentando la qualità e la durata dei rivestimenti SiC riducendo al contempo i costi di produzione. Allo stesso tempo, stanno esplorando modi per realizzare processi di produzione intelligenti per substrati di grafite rivestiti in carburo di silicio per migliorare l’efficienza produttiva e la qualità del prodotto. L'industria sta aumentando gli investimenti nell'industrializzazione delsubstrati di grafite rivestiti in carburo di silicio, migliorando la scala di produzione e la qualità del prodotto per soddisfare le richieste del mercato. Recentemente, gli istituti di ricerca e le industrie stanno esplorando attivamente nuove tecnologie di rivestimento, come l'applicazione diRivestimenti TaC su suscettori di grafite, per migliorare la conduttività termica e la resistenza alla corrosione.**

Semicorex offre componenti di alta qualità per materiali rivestiti in SiC CVD. Se hai domande o hai bisogno di ulteriori dettagli, non esitare a contattarci.

Telefono di contatto n. +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com