Silisyum Karbürün Kısa Tarihi ve Silisyum Karbür Kaplamaların Uygulamaları

1. SiC'nin geliştirilmesi

1893 yılında SiC'nin kaşifi Edward Goodrich Acheson, kuvars ve karbon karışımını elektrikle ısıtarak endüstriyel silisyum karbür üretimine başlamak için karbon malzemeleri kullanan (Acheson fırını olarak bilinen) bir direnç fırını tasarladı. Daha sonra bu buluş için patent başvurusunda bulundu.

Silisyum karbür, olağanüstü sertliği ve aşınma direnci nedeniyle 20. yüzyılın başlarından ortalarına kadar öncelikle taşlama ve kesme takımlarında aşındırıcı olarak kullanıldı.

1950'li ve 1960'lı yıllarda ortaya çıkmasıyla birliktekimyasal buhar biriktirme (CVD) teknolojisiAmerika Birleşik Devletleri'ndeki Bell Laboratuvarlarından Rustum Roy gibi bilim adamları CVD SiC teknolojisine yönelik araştırmalara öncülük etti. SiC buhar biriktirme süreçlerini geliştirdiler ve özellikleri ve uygulamalarına ilişkin ön araştırmalar yaparak ilk SiC biriktirmeyi başardılar.Grafit yüzeylerde SiC kaplamalar. Bu çalışma, SiC kaplama malzemelerinin CVD hazırlanması için çok önemli bir temel oluşturdu.

1963 yılında Bell Laboratuvarı araştırmacıları Howard Wachtel ve Joseph Wells, SiC ve diğer seramik kaplama malzemeleri için kimyasal buhar biriktirme teknolojilerinin geliştirilmesine odaklanan CVD Incorporated'ı kurdu. 1974 yılında Türkiye'nin ilk endüstriyel üretimini gerçekleştirdiler.silisyum karbür kaplı grafit ürünler. Bu dönüm noktası, grafit yüzeyler üzerindeki silisyum karbür kaplama teknolojisinde önemli bir ilerlemeye işaret ederek bunların yarı iletkenler, optik ve havacılık gibi alanlarda yaygın olarak uygulanmasının önünü açtı.

1970'lerde Union Carbide Corporation'daki araştırmacılar (şu anda Dow Chemical'ın yüzde yüz iştiraki) ilk kez bu uygulamaya başvurdu.silisyum karbür kaplı grafit tabanlargalyum nitrür (GaN) gibi yarı iletken malzemelerin epitaksiyel büyümesinde. Bu teknoloji yüksek performanslı üretim için çok önemliydiGaN tabanlı LED'ler(ışık yayan diyotlar) ve lazerler, daha sonraki uygulamalara zemin hazırlıyorsilisyum karbür epitaksi teknolojisive silisyum karbür malzemelerin yarı iletken alanında uygulanmasında önemli bir kilometre taşı haline geldi.

1980'lerden 21. yüzyılın başlarına kadar üretim teknolojilerindeki gelişmeler, silikon karbür kaplamaların havacılıktan otomotive, güç elektroniğinden, yarı iletken ekipmanlara ve korozyon önleyici kaplamalar olarak çeşitli endüstriyel bileşenlere kadar endüstriyel ve ticari uygulamalarını genişletti.

21. yüzyılın başlarından günümüze kadar termal püskürtme, PVD ve nanoteknolojideki gelişmeler yeni kaplama hazırlama yöntemlerini ortaya çıkarmıştır. Araştırmacılar, malzeme performansını daha da artırmak için nano ölçekli silisyum karbür kaplamaları keşfetmeye ve geliştirmeye başladı.

Özetle, hazırlama teknolojisiCVD silisyum karbür kaplamalarSon birkaç on yılda laboratuvar araştırmalarından endüstriyel uygulamalara geçiş yaparak sürekli ilerleme ve atılımlar gerçekleştirdi.

2. SiC Kristal Yapısı ve Uygulama Alanları

Silisyum karbürün 200'den fazla politipi vardır ve karbon ve silisyum atomlarının istiflenme düzenine göre öncelikle üç ana gruba kategorize edilir: kübik (3C), altıgen (H) ve rhombohedral®. Yaygın örnekler arasında 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC ve 15R-SiC bulunur. Bunlar genel olarak iki ana türe ayrılabilir:

Şekil 1: Silisyum Karbürün Kristal Yapısı

α-SiC:Bu, yüksek sıcaklığa dayanıklı yapı ve doğada bulunan orijinal yapı türüdür.

β-SiC:Bu, silikon ve karbonun yaklaşık 1450°C'de reaksiyona girmesiyle oluşturulabilen, düşük sıcaklığa dayanıklı yapıdır. β-SiC, 2100-2400°C arasındaki sıcaklıklarda α-SiC'ye dönüşebilmektedir.

Farklı SiC politiplerinin farklı kullanımları vardır. Örneğin, α-SiC içindeki 4H-SiC, yüksek güçlü cihazların üretimi için uygunken, 6H-SiC en kararlı tiptir ve optoelektronik cihazlarda kullanılır. β-SiC, RF cihazlarda kullanımının yanı sıra, yüksek sıcaklık, yüksek aşınma ve yüksek korozif ortamlarda koruyucu işlevler sağlayan ince bir film ve kaplama malzemesi olarak da önemlidir. β-SiC'nin α-SiC'ye göre çeşitli avantajları vardır:

(1)Isıl iletkenliği 120-200 W/m·K arasında değişir; bu, α-SiC'nin 100-140 W/m·K değerinden önemli ölçüde yüksektir.

(2) β-SiC daha yüksek sertlik ve aşınma direnci sergiler.

(3) Korozyon direnci açısından, α-SiC oksitleyici olmayan ve hafif asidik ortamlarda iyi performans gösterirken, β-SiC daha agresif oksitleyici ve kuvvetli alkalin koşullar altında stabil kalarak daha geniş bir kimyasal ortam yelpazesinde üstün korozyon direncini gösterir. .

Ek olarak, β-SiC'nin termal genleşme katsayısı grafitinkiyle yakından eşleşir ve bu birleşik özellikler nedeniyle onu levha epitaksi ekipmanında grafit bazlı yüzey kaplamaları için tercih edilen malzeme haline getirir.

3. SiC Kaplamalar ve Hazırlama Yöntemleri

(1) SiC Kaplamalar

SiC kaplamalar, çeşitli kaplama veya biriktirme işlemleriyle altlık yüzeylerine uygulanan β-SiC'den oluşturulan ince filmlerdir. Bu kaplamalar tipik olarak sertliği, aşınma direncini, korozyon direncini, oksidasyon direncini ve yüksek sıcaklık performansını arttırmak için kullanılır. Silisyum karbür kaplamalar seramik, metal, cam ve plastik gibi çeşitli alt tabakalarda geniş uygulamalara sahiptir ve havacılık, otomotiv üretimi, elektronik ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şekil 2: Grafit Yüzey Üzerindeki SiC Kaplamanın Kesitsel Mikro Yapısı

(2)  Hazırlama Yöntemleri

SiC kaplamaların hazırlanmasına yönelik ana yöntemler arasında Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD), Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD), püskürtme teknikleri, elektrokimyasal biriktirme ve bulamaç kaplama sinterleme yer alır.

Kimyasal Buhar Birikimi (CVD):

CVD, silisyum karbür kaplamaların hazırlanmasında en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. CVD işlemi sırasında, silikon ve karbon içeren öncü gazlar bir reaksiyon odasına verilir ve burada yüksek sıcaklıklarda ayrışarak silikon ve karbon atomları üretilir. Bu atomlar substrat yüzeyine adsorbe edilir ve silisyum karbür kaplamayı oluşturmak üzere reaksiyona girer. Gaz akış hızı, biriktirme sıcaklığı, biriktirme basıncı ve süre gibi temel işlem parametrelerinin kontrol edilmesiyle kaplamanın kalınlığı, stokiyometrisi, tane boyutu, kristal yapısı ve yönelimi, özel uygulama gereksinimlerini karşılayacak şekilde hassas bir şekilde uyarlanabilir. Bu yöntemin bir diğer avantajı, büyük ve karmaşık şekilli yüzeylerin iyi yapışma ve doldurma yetenekleriyle kaplanması için uygunluğudur. Ancak CVD prosesinde kullanılan öncüller ve yan ürünler genellikle yanıcı ve aşındırıcı olup, üretimi tehlikeli hale getirir. Ayrıca hammadde kullanım oranı nispeten düşük ve hazırlık maliyetleri yüksektir.

Fiziksel Buhar Birikimi (PVD):

PVD, yüksek saflıkta silisyum karbür malzemeleri buharlaştırmak ve bunları alt tabaka yüzeyinde yoğunlaştırarak ince bir film oluşturmak için yüksek vakum altında termal buharlaştırma veya magnetron püskürtme gibi fiziksel yöntemlerin kullanılmasını içerir. Bu yöntem, kesici takım kaplamaları, seramik kaplamalar, optik kaplamalar ve termal bariyer kaplamalar gibi yüksek hassasiyetli uygulamalara uygun yoğun silisyum karbür kaplamalar üreterek kaplamanın kalınlığı ve bileşimi üzerinde hassas kontrol sağlar. Bununla birlikte, özellikle girintili veya gölgeli alanlarda olmak üzere karmaşık şekilli bileşenler üzerinde eşit bir kaplama elde etmek zordur. Ayrıca kaplama ile alt tabaka arasındaki yapışma yetersiz olabilir. PVD ekipmanı, pahalı yüksek vakum sistemlerine ve hassas kontrol ekipmanına duyulan ihtiyaç nedeniyle maliyetlidir. Ayrıca, biriktirme hızının yavaş olması üretim verimliliğinin düşmesine neden olur ve bu da onu büyük ölçekli endüstriyel üretim için uygunsuz hale getirir.

Püskürtme Tekniği:

Bu, sıvı malzemelerin alt tabaka yüzeyine püskürtülmesini ve bir kaplama oluşturmak üzere belirli sıcaklıklarda kürlenmesini içerir. Yöntem basit ve uygun maliyetlidir, ancak elde edilen kaplamalar tipik olarak alt tabakaya zayıf yapışma, daha zayıf tekdüzelik, daha ince kaplamalar ve daha düşük oksidasyon direnci sergiler ve genellikle performansı artırmak için ek yöntemler gerektirir.

Elektrokimyasal Biriktirme:

Bu teknik, silisyum karbürün bir çözeltiden altlık yüzeyine biriktirilmesi için elektrokimyasal reaksiyonları kullanır. Elektrot potansiyelini ve öncü çözeltinin bileşimini kontrol ederek, düzgün kaplama büyümesi elde edilebilir. Bu yöntemle hazırlanan silisyum karbür kaplamalar, kimyasal/biyolojik sensörler, fotovoltaik cihazlar, lityum iyon piller için elektrot malzemeleri ve korozyona dayanıklı kaplamalar gibi spesifik alanlarda uygulanabilir.

Bulamaç Kaplama ve Sinterleme:

Bu yöntem, alt tabaka yüzeyine eşit şekilde uygulanan bir bulamaç oluşturmak için kaplama malzemesinin bağlayıcılarla karıştırılmasını içerir. Kurutulduktan sonra kaplanan iş parçası, istenilen kaplamayı oluşturmak için yüksek sıcaklıklarda inert bir atmosferde sinterlenir. Avantajları arasında basit ve kolay kullanım ve kontrol edilebilir kaplama kalınlığı yer alır, ancak kaplama ile alt tabaka arasındaki bağlanma gücü genellikle daha zayıftır. Kaplamalar aynı zamanda zayıf termal şok direncine, daha düşük tekdüzeliğe ve tutarsız işlemlere sahiptir, bu da onları seri üretim için uygunsuz hale getirir.

Genel olarak, uygun silisyum karbür kaplama hazırlama yönteminin seçilmesi, uygulama senaryosuna dayalı olarak performans gereksinimlerinin, alt tabaka özelliklerinin ve maliyetlerin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesini gerektirir.

4. SiC Kaplı Grafit Tutucular

SiC kaplı grafit tutucular çok önemlidir.Metal Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) işlemleriyarı iletkenler, optoelektronik ve diğer malzeme bilimleri alanlarında ince filmlerin ve kaplamaların hazırlanmasında yaygın olarak kullanılan bir tekniktir.

Figür 3

5. MOCVD Ekipmanlarında SiC Kaplı Grafit Substratların İşlevleri

SiC kaplı grafit substratlar, yarı iletkenler, optoelektronik ve diğer malzeme bilimleri alanlarında ince filmler ve kaplamaların hazırlanmasında yaygın olarak kullanılan bir teknik olan Metal Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) işlemlerinde çok önemlidir.

Şekil 4: Semicorex CVD Ekipmanı

Destekleyici Taşıyıcı:MOCVD'de yarı iletken malzemeler, levha substrat yüzeyinde katman katman büyüyerek belirli özelliklere ve yapılara sahip ince filmler oluşturabilir.SiC kaplı grafit taşıyıcıiçin sağlam ve istikrarlı bir platform sağlayan destekleyici bir taşıyıcı görevi görür.epitaksiyarı iletken ince filmlerden oluşur. SiC kaplamanın mükemmel termal stabilitesi ve kimyasal inertliği, alt tabakanın yüksek sıcaklıktaki ortamlarda stabilitesini korur, aşındırıcı gazlarla reaksiyonları azaltır ve büyütülmüş yarı iletken filmlerin yüksek saflık ve tutarlı özellik ve yapılarını sağlar. Örnekler arasında MOCVD ekipmanında GaN epitaksiyel büyümesi için SiC kaplı grafit substratlar, tek kristalli silikon epitaksiyel büyüme için SiC kaplı grafit substratlar (düz substratlar, yuvarlak substratlar, üç boyutlu substratlar) veSiC epitaksiyel büyüme.

Termal Kararlılık ve Oksidasyon Direnci:MOCVD prosesi yüksek sıcaklık reaksiyonlarını ve oksitleyici gazları içerebilir. SiC kaplama, grafit alt tabaka için ek termal stabilite ve oksidasyon koruması sağlayarak yüksek sıcaklıktaki ortamlarda arızayı veya oksidasyonu önler. Bu, ince film büyümesinin tutarlılığını kontrol etmek ve sürdürmek için çok önemlidir.

Malzeme Arayüzü ve Yüzey Özellikleri Kontrolü:SiC kaplama, film ile alt tabaka arasındaki etkileşimleri etkileyerek büyüme modlarını, kafes eşleşmesini ve arayüz kalitesini etkileyebilir. SiC kaplamanın özelliklerini ayarlayarak daha hassas malzeme büyümesi ve arayüz kontrolü elde edilebilir, bu da performansı artırır.epitaksiyel filmler.

Safsızlık Kirliliğinin Azaltılması:SiC kaplamaların yüksek saflığı, grafit substratlardan kaynaklanan yabancı madde kirliliğini en aza indirebilir ve böylecebüyütülmüş epitaksiyel filmlergerekli yüksek saflığa sahiptir. Bu, yarı iletken cihazların performansı ve güvenilirliği açısından hayati öneme sahiptir.

Şekil 5: SemicorexSiC Kaplı Grafit ReseptörEpitaksi'de Gofret Taşıyıcı olarak

Özetle,SiC kaplı grafit yüzeylerMOCVD süreçlerinde daha iyi temel desteği, termal kararlılık ve arayüz kontrolü sağlayarak yüksek kaliteli ürünlerin büyümesini ve hazırlanmasını teşvik ederepitaksiyel filmler.

6. Sonuç ve Görünüm

Şu anda Çin'deki araştırma kurumları üretim süreçlerini iyileştirmeye adanmıştır.silisyum karbür kaplı grafit tutucular, kaplama saflığını ve homojenliğini arttırır ve üretim maliyetlerini azaltırken SiC kaplamaların kalitesini ve ömrünü arttırır. Eş zamanlı olarak, üretim verimliliğini ve ürün kalitesini artırmak amacıyla silisyum karbür kaplı grafit substratlar için akıllı üretim süreçleri elde etmenin yollarını araştırıyorlar. Sanayi, sanayileşmeye yönelik yatırımları artırıyorsilisyum karbür kaplı grafit yüzeylerPazar taleplerini karşılamak için üretim ölçeğini ve ürün kalitesini artırmak. Son zamanlarda araştırma kurumları ve endüstriler aktif olarak yeni kaplama teknolojilerini araştırıyor;Grafit tutucularda TaC kaplamalar, termal iletkenliği ve korozyon direncini arttırmak için.**

Semicorex, CVD SiC kaplı malzemeler için yüksek kaliteli bileşenler sunar. Herhangi bir sorunuz varsa veya ek ayrıntılara ihtiyacınız varsa, lütfen bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.

İletişim telefonu numarası +86-13567891907

E-posta: sales@semicorex.com