Isang Maikling Kasaysayan ng Silicon Carbide at Mga Application ng Silicon Carbide Coatings

1. Pag-unlad ng SiC

Noong 1893, si Edward Goodrich Acheson, ang nakatuklas ng SiC, ay nagdisenyo ng isang resistor furnace gamit ang carbon materials—na kilala bilang Acheson furnace—upang simulan ang industriyal na produksyon ng silicon carbide sa pamamagitan ng electrically heating ng pinaghalong quartz at carbon. Pagkatapos ay nagsampa siya ng patent para sa imbensyon na ito.

Mula sa unang bahagi ng kalagitnaan ng ika-20 siglo, dahil sa pambihirang tigas at paglaban nito sa pagsusuot, ang silicon carbide ay pangunahing ginamit bilang nakasasakit sa mga tool sa paggiling at pagputol.

Noong 1950s at 1960s, sa pagdating ngteknolohiya ng chemical vapor deposition (CVD)., ang mga siyentipiko tulad ni Rustum Roy sa Bell Labs sa United States ay nagpasimuno ng pananaliksik sa teknolohiyang CVD SiC. Binuo nila ang mga proseso ng pag-deposito ng singaw ng SiC at nagsagawa ng mga paunang paggalugad sa mga katangian at aplikasyon nito, na nakamit ang unang pag-deposito ngSiC coatings sa mga ibabaw ng grapayt. Ang gawaing ito ay naglatag ng isang mahalagang pundasyon para sa paghahanda ng CVD ng mga materyales sa patong ng SiC.

Noong 1963, itinatag ng mga mananaliksik ng Bell Labs na sina Howard Wachtel at Joseph Wells ang CVD Incorporated, na nakatuon sa pagbuo ng mga teknolohiyang chemical vapor deposition para sa SiC at iba pang mga ceramic coating na materyales. Noong 1974, nakamit nila ang unang pang-industriyang produksyon ngmga produktong grapayt na pinahiran ng silicon carbide. Ang milestone na ito ay minarkahan ang makabuluhang pag-unlad sa teknolohiya ng silicon carbide coatings sa mga graphite surface, na nagbibigay daan para sa kanilang malawakang aplikasyon sa mga larangan tulad ng semiconductors, optika, at aerospace.

Noong 1970s, unang nag-apply ang mga mananaliksik sa Union Carbide Corporation (ngayon ay isang buong pag-aari na subsidiary ng Dow Chemical).mga base ng grapayt na pinahiran ng silikon na karbidasa epitaxial growth ng semiconductor materials tulad ng gallium nitride (GaN). Napakahalaga ng teknolohiyang ito para sa paggawa ng mataas na pagganapGaN-based na mga LED(light-emitting diodes) at mga laser, na naglalagay ng batayan para sa kasunodteknolohiya ng silicon carbide epitaxyat nagiging isang makabuluhang milestone sa aplikasyon ng mga materyales ng silicon carbide sa larangan ng semiconductor.

Mula noong 1980s hanggang sa unang bahagi ng ika-21 siglo, pinalawak ng mga pagsulong sa mga teknolohiya sa pagmamanupaktura ang mga pang-industriya at komersyal na aplikasyon ng mga silicon carbide coatings mula sa aerospace hanggang sa automotive, power electronics, semiconductor equipment, at iba't ibang pang-industriya na bahagi bilang anti-corrosion coatings.

Mula sa unang bahagi ng ika-21 siglo hanggang sa kasalukuyan, ang pagbuo ng thermal spraying, PVD, at nanotechnology ay nagpakilala ng mga bagong pamamaraan ng paghahanda ng patong. Sinimulan ng mga mananaliksik ang paggalugad at pagbuo ng nanoscale silicon carbide coatings upang higit pang mapahusay ang pagganap ng materyal.

Sa buod, ang teknolohiya ng paghahanda para saCVD silicon carbide coatingsay lumipat mula sa pagsasaliksik sa laboratoryo patungo sa mga pang-industriyang aplikasyon sa nakalipas na ilang dekada, na nakakamit ng tuluy-tuloy na pag-unlad at mga tagumpay.

2. SiC Crystal Structure at Application Fields

Ang Silicon carbide ay may higit sa 200 polytypes, pangunahing ikinategorya sa tatlong pangunahing grupo batay sa pagsasalansan ng mga carbon at silicon atoms: kubiko (3C), hexagonal (H), at rhombohedral ®. Kasama sa mga karaniwang halimbawa ang 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, at 15R-SiC. Ang mga ito ay maaaring malawak na nahahati sa dalawang pangunahing uri:

Figure 1: Crystal Structure ng Silicon Carbide

α-SiC:Ito ang mataas na temperatura na matatag na istraktura at ang orihinal na uri ng istraktura na matatagpuan sa kalikasan.

β-SiC:Ito ang mababang-temperatura na matatag na istraktura, na maaaring mabuo sa pamamagitan ng pagtugon sa silikon at carbon sa paligid ng 1450°C. Maaaring mag-transform ang β-SiC sa α-SiC sa mga temperatura sa pagitan ng 2100-2400°C.

Ang iba't ibang SiC polytype ay may iba't ibang gamit. Halimbawa, ang 4H-SiC sa α-SiC ay angkop para sa paggawa ng mga high-power na device, habang ang 6H-SiC ay ang pinaka-stable na uri at ginagamit sa mga optoelectronic na device. Ang β-SiC, bukod sa ginagamit sa mga RF device, ay mahalaga din bilang isang manipis na film at coating na materyal sa mataas na temperatura, mataas na pagkasuot, at lubhang kinakaing unti-unti na mga kapaligiran, na nagbibigay ng mga proteksiyon na function. Ang β-SiC ay may ilang mga pakinabang sa α-SiC:

(1)Ang thermal conductivity nito ay nasa pagitan ng 120-200 W/m·K, na mas mataas kaysa sa 100-140 W/m·K ng α-SiC.

(2) Ang β-SiC ay nagpapakita ng mas mataas na tigas at wear resistance.

(3) Sa mga tuntunin ng corrosion resistance, habang ang α-SiC ay gumaganap nang mahusay sa non-oxidizing at mahinang acidic na kapaligiran, ang β-SiC ay nananatiling matatag sa ilalim ng mas agresibong oxidizing at malakas na alkaline na mga kondisyon, na nagpapakita ng kanyang superior corrosion resistance sa isang mas malawak na hanay ng mga kemikal na kapaligiran .

Bukod pa rito, ang thermal expansion coefficient ng β-SiC ay malapit na tumutugma sa graphite, na ginagawa itong mas gustong materyal para sa mga surface coating sa mga graphite base sa wafer epitaxy equipment dahil sa mga pinagsamang katangiang ito.

3. Mga SiC Coating at Paraan ng Paghahanda

(1) Mga SiC Coating

Ang mga SiC coatings ay mga manipis na pelikula na nabuo mula sa β-SiC, na inilapat sa mga ibabaw ng substrate sa pamamagitan ng iba't ibang mga proseso ng coating o deposition. Ang mga coatings na ito ay karaniwang ginagamit upang pahusayin ang tigas, wear resistance, corrosion resistance, oxidation resistance, at mataas na temperatura na pagganap. Ang mga silicone carbide coatings ay may malawak na aplikasyon sa iba't ibang substrate gaya ng mga ceramics, metal, salamin, at plastic, at malawakang ginagamit sa aerospace, automotive manufacturing, electronics, at iba pang larangan.

Figure 2: Cross-sectional Microstructure ng SiC Coating sa Graphite Surface

(2)  Paraan ng Paghahanda

Kabilang sa mga pangunahing pamamaraan para sa paghahanda ng SiC coatings ang Chemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (PVD), mga diskarte sa pag-spray, electrochemical deposition, at slurry coating sintering.

Chemical Vapor Deposition (CVD):

Ang CVD ay isa sa mga pinakakaraniwang ginagamit na pamamaraan para sa paghahanda ng mga silikon na karbid na patong. Sa panahon ng proseso ng CVD, ang mga precursor na gas na may silikon at carbon ay ipinapasok sa isang silid ng reaksyon, kung saan nabubulok ang mga ito sa mataas na temperatura upang makabuo ng mga atomo ng silikon at carbon. Ang mga atom na ito ay sumisipsip sa ibabaw ng substrate at tumutugon upang mabuo ang silicon carbide coating. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga pangunahing parameter ng proseso tulad ng rate ng daloy ng gas, temperatura ng deposition, presyur ng deposition, at oras, ang kapal, stoichiometry, laki ng butil, istraktura ng kristal, at oryentasyon ng coating ay maaaring tumpak na maiangkop upang matugunan ang mga partikular na kinakailangan sa aplikasyon. Ang isa pang bentahe ng pamamaraang ito ay ang pagiging angkop nito para sa patong ng malaki at kumplikadong hugis na mga substrate na may mahusay na pagdirikit at mga kakayahan sa pagpuno. Gayunpaman, ang mga precursor at by-product na ginagamit sa proseso ng CVD ay kadalasang nasusunog at kinakaing unti-unti, na ginagawang mapanganib ang produksyon. Bilang karagdagan, ang rate ng paggamit ng hilaw na materyales ay medyo mababa, at ang mga gastos sa paghahanda ay mataas.

Physical Vapor Deposition (PVD):

Kasama sa PVD ang paggamit ng mga pisikal na pamamaraan tulad ng thermal evaporation o magnetron sputtering sa ilalim ng mataas na vacuum upang mag-vaporize ng high-purity na silicon carbide na materyales at i-condense ang mga ito sa ibabaw ng substrate, na bumubuo ng manipis na pelikula. Nagbibigay-daan ang paraang ito para sa tumpak na kontrol sa kapal at komposisyon ng coating, na gumagawa ng mga siksik na silicon carbide coating na angkop para sa mga high-precision na application tulad ng cutting tool coatings, ceramic coatings, optical coatings, at thermal barrier coatings. Gayunpaman, ang pagkamit ng pare-parehong saklaw sa kumplikadong hugis na mga bahagi, lalo na sa mga recess o may kulay na mga lugar, ay mahirap. Bilang karagdagan, ang pagdirikit sa pagitan ng patong at substrate ay maaaring hindi sapat. Ang PVD equipment ay magastos dahil sa pangangailangan para sa mga mamahaling high-vacuum system at precision control equipment. Higit pa rito, ang deposition rate ay mabagal, na nagreresulta sa mababang produksyon na kahusayan, na ginagawa itong hindi angkop para sa malakihang industriyal na produksyon.

Pamamaraan sa Pag-spray:

Kabilang dito ang pag-spray ng mga likidong materyales sa ibabaw ng substrate at pagpapagaling sa kanila sa mga partikular na temperatura upang bumuo ng isang patong. Ang pamamaraan ay simple at cost-effective, ngunit ang mga resultang coatings ay karaniwang nagpapakita ng mahinang pagdirikit sa substrate, hindi magandang pagkakapareho, thinner coatings, at mas mababang oxidation resistance, kadalasang nangangailangan ng mga karagdagang pamamaraan upang mapahusay ang pagganap.

Electrochemical Deposition:

Gumagamit ang pamamaraang ito ng mga electrochemical reaction upang magdeposito ng silicon carbide mula sa isang solusyon papunta sa ibabaw ng substrate. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa potensyal ng elektrod at ang komposisyon ng precursor solution, maaaring makamit ang pare-parehong paglaki ng coating. Ang mga silicone carbide coating na inihanda ng paraang ito ay naaangkop sa mga partikular na larangan gaya ng mga chemical/biological sensor, photovoltaic device, electrode materials para sa lithium-ion na mga baterya, at corrosion-resistant coatings.

Slurry Coating at Sintering:

Ang pamamaraang ito ay nagsasangkot ng paghahalo ng materyal na patong na may mga binder upang lumikha ng isang slurry, na pantay na inilalapat sa ibabaw ng substrate. Pagkatapos ng pagpapatayo, ang pinahiran na workpiece ay sintered sa mataas na temperatura sa isang hindi gumagalaw na kapaligiran upang mabuo ang nais na patong. Kasama sa mga bentahe nito ang simple at madaling operasyon at nakokontrol na kapal ng patong, ngunit ang lakas ng pagbubuklod sa pagitan ng patong at substrate ay kadalasang mas mahina. Ang mga coatings ay mayroon ding mahinang thermal shock resistance, mas mababang pagkakapareho, at hindi pantay na mga proseso, na ginagawang hindi angkop para sa mass production.

Sa pangkalahatan, ang pagpili ng naaangkop na paraan ng paghahanda ng silicon carbide coating ay nangangailangan ng komprehensibong pagsasaalang-alang sa mga kinakailangan sa pagganap, mga katangian ng substrate, at mga gastos batay sa senaryo ng aplikasyon.

4. SiC-Coated Graphite Susceptors

Ang SiC-coated graphite susceptors ay mahalaga saMga proseso ng Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)., isang pamamaraan na malawakang ginagamit para sa paghahanda ng mga manipis na pelikula at coatings sa mga larangan ng semiconductors, optoelectronics, at iba pang materyal na agham.

Larawan 3

5. Mga Function ng SiC-Coated Graphite Substrates sa MOCVD Equipment

Ang SiC-coated graphite substrates ay mahalaga sa mga proseso ng Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), isang pamamaraan na malawakang ginagamit para sa paghahanda ng mga manipis na pelikula at coatings sa mga larangan ng semiconductors, optoelectronics, at iba pang materyal na agham.

Figure 4:  Ang Semicorex CVD Equipment

Suporta sa Carrier:Sa MOCVD, ang mga semiconductor na materyales ay maaaring lumaki ng patong-patong sa ibabaw ng wafer substrate, na bumubuo ng mga manipis na pelikula na may mga partikular na katangian at istruktura.Ang SiC-coated graphite carriergumaganap bilang isang sumusuportang carrier, na nagbibigay ng matatag at matatag na platform para saepitaxyng mga semiconductor thin films. Ang mahusay na thermal stability at chemical inertness ng SiC coating ay nagpapanatili ng katatagan ng substrate sa mga high-temperature na kapaligiran, binabawasan ang mga reaksyon na may mga corrosive na gas, at tinitiyak ang mataas na kadalisayan at pare-pareho ang mga katangian at istruktura ng mga lumaki na semiconductor films. Kasama sa mga halimbawa ang SiC-coated graphite substrates para sa GaN epitaxial growth sa MOCVD equipment, SiC-coated graphite substrates para sa single-crystal silicon epitaxial growth (flat substrates, round substrates, three-dimensional substrates), at SiC-coated graphite substrates para saPaglago ng epitaxial ng SiC.

Thermal Stability at Oxidation Resistance:Ang proseso ng MOCVD ay maaaring may kasamang mataas na temperatura na mga reaksyon at oxidizing gas. Ang SiC coating ay nagbibigay ng karagdagang thermal stability at proteksyon ng oksihenasyon para sa graphite substrate, na pumipigil sa pagkabigo o oksihenasyon sa mga kapaligirang may mataas na temperatura. Ito ay mahalaga para sa pagkontrol at pagpapanatili ng pare-pareho ng paglaki ng manipis na pelikula.

Pagkontrol sa Material Interface at Surface Properties:Ang SiC coating ay maaaring makaimpluwensya sa mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng pelikula at substrate, na nakakaapekto sa mga mode ng paglago, pagtutugma ng sala-sala, at kalidad ng interface. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng mga katangian ng SiC coating, mas tumpak na paglaki ng materyal at kontrol ng interface ay maaaring makamit, pagpapabuti ng pagganap ngmga pelikulang epitaxial.

Pagbabawas ng Kontaminasyon ng Impurity:Ang mataas na kadalisayan ng SiC coatings ay maaaring mabawasan ang kontaminasyon ng karumihan mula sa mga substrate ng grapayt, na tinitiyak na angmga lumalagong epitaxial na pelikulamagkaroon ng kinakailangang mataas na kadalisayan. Ito ay mahalaga para sa pagganap at pagiging maaasahan ng mga aparatong semiconductor.

Larawan 5: Ang SemicorexSiC-Coated Graphite Receptorbilang Wafer Carrier sa Epitaxy

Sa buod,Mga substrate ng grapayt na pinahiran ng SiCmagbigay ng mas mahusay na base support, thermal stability, at interface control sa mga proseso ng MOCVD, na nagpo-promote ng paglago at paghahanda ng mataas na kalidadmga pelikulang epitaxial.

6. Konklusyon at Outlook

Sa kasalukuyan, ang mga institusyong pananaliksik sa Tsina ay nakatuon sa pagpapabuti ng mga proseso ng produksyon ngMga susceptor ng grapayt na pinahiran ng silicon carbide, pagpapahusay sa kadalisayan at pagkakapareho ng coating, at pagtaas ng kalidad at habang-buhay ng mga SiC coating habang binabawasan ang mga gastos sa produksyon. Sabay-sabay, tinutuklasan nila ang mga paraan upang makamit ang matalinong proseso ng pagmamanupaktura para sa mga substrate ng grapayt na pinahiran ng silicon carbide upang mapabuti ang kahusayan ng produksyon at kalidad ng produkto. Ang industriya ay nagdaragdag ng pamumuhunan sa industriyalisasyon ngsilicon carbide-coated graphite substrates, pagpapahusay ng sukat ng produksyon at kalidad ng produkto upang matugunan ang mga pangangailangan sa merkado. Kamakailan, ang mga institusyon at industriya ng pananaliksik ay aktibong naggalugad ng mga bagong teknolohiya ng patong, tulad ng paggamit ngTaC coatings sa graphite susceptors, upang mapabuti ang thermal conductivity at corrosion resistance.**

Nag-aalok ang Semicorex ng mga de-kalidad na bahagi para sa mga materyales na pinahiran ng CVD SiC. Kung mayroon kang anumang mga katanungan o kailangan ng karagdagang mga detalye, mangyaring huwag mag-atubiling makipag-ugnayan sa amin.

Makipag-ugnayan sa telepono # +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com