Кремний карбидінің қысқаша тарихы және кремний карбиді жабындарының қолданылуы

1. SiC дамуы

1893 жылы SiC ашушы Эдвард Гудрих Ачесон кварц пен көміртек қоспасын электрлік қыздыру арқылы кремний карбидінің өнеркәсіптік өндірісін бастау үшін Ачесон пеші деп аталатын көміртекті материалдарды қолданатын резисторлық пешті жобалады. Кейіннен ол осы өнертабысқа патент берді.

20 ғасырдың басынан ортасына дейін өзінің ерекше қаттылығы мен тозуға төзімділігіне байланысты кремний карбиді негізінен тегістеу және кесу құралдарында абразив ретінде пайдаланылды.

1950 және 1960 жылдары пайда болуымен біргехимиялық буларды тұндыру (CVD) технологиясы, Америка Құрама Штаттарындағы Bell Labs зертханасындағы Rustum Roy сияқты ғалымдар CVD SiC технологиясын зерттеуге мұрындық болды. Олар SiC буының тұндыру процестерін әзірледі және оның қасиеттері мен қолданылуына алдын ала зерттеулер жүргізді, бұлГрафит беттеріндегі SiC жабындары. Бұл жұмыс SiC жабынының материалдарын CVD дайындау үшін маңызды негіз қалады.

1963 жылы Bell Labs зерттеушілері Ховард Вахтель мен Джозеф Уэллс CVD Incorporated компаниясын құрды, ол SiC және басқа керамикалық жабын материалдары үшін химиялық бу тұндыру технологияларын дамытуға назар аударды. 1974 жылы олар бірінші өнеркәсіптік өндіріске қол жеткіздікремний карбидімен қапталған графит өнімдері. Бұл маңызды кезең графит беттерінде кремний карбиді жабындарының технологиясында елеулі прогреске қол жеткізді, бұл олардың жартылай өткізгіштер, оптика және аэроғарыш сияқты салаларда кеңінен қолданылуына жол ашты.

1970 жылдары Union Carbide корпорациясының (қазір Dow Chemical компаниясының толық еншілес кәсіпорны) зерттеушілері алғаш рет өтініш берді.кремний карбидімен қапталған графит негіздерігаллий нитриді (GaN) сияқты жартылай өткізгіш материалдардың эпитаксиалды өсуінде. Бұл технология өнімділігі жоғары өндіріс үшін өте маңызды болдыGaN негізіндегі жарықдиодты шамдар(жарық диодтары) және лазерлер, кейінгі үшін негіз қалаукремний карбидінің эпитаксисі технологиясыжәне жартылай өткізгіш өрісте кремний карбиді материалдарын қолданудағы маңызды кезеңге айналды.

1980 жылдардан бастап 21 ғасырдың басына дейін өндіріс технологияларындағы жетістіктер кремний карбиді жабындарының аэроғарыштан автомобильге, электр электроникасына, жартылай өткізгіш жабдықтарға және коррозияға қарсы жабындар ретінде әртүрлі өнеркәсіптік компоненттерге өнеркәсіптік және коммерциялық қолдануларын кеңейтті.

21 ғасырдың басынан бастап қазіргі уақытқа дейін термиялық бүрку, PVD және нанотехнологияның дамуы жабынды дайындаудың жаңа әдістерін енгізді. Зерттеушілер материалдың өнімділігін одан әрі жақсарту үшін наноөлшемді кремний карбид жабындарын зерттеп, дамыта бастады.

Қорытындылай келе, дайындау технологиясыCVD кремний карбиді жабындарысоңғы бірнеше онжылдықтарда зертханалық зерттеулерден өнеркәсіптік қолданбаларға көшті, үздіксіз прогреске және серпілістерге қол жеткізді.

2. SiC кристалының құрылымы және қолдану өрістері

Кремний карбидінің 200-ден астам политиптері бар, олар негізінен көміртек және кремний атомдарының жинақталуына негізделген үш негізгі топқа жіктеледі: текше (3C), алтыбұрышты (H) және ромбоэдрлік ®. Жалпы мысалдарға 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC және 15R-SiC жатады. Оларды екі негізгі түрге бөлуге болады:

1-сурет: кремний карбидінің кристалдық құрылымы

α-SiC:Бұл жоғары температураға төзімді құрылым және табиғатта кездесетін бастапқы құрылым түрі.

β-SiC:Бұл кремний мен көміртектің шамамен 1450 ° C температурасында әрекеттесуі арқылы түзілуі мүмкін төмен температурадағы тұрақты құрылым. β-SiC 2100-2400°C аралығындағы температурада α-SiC-ке айнала алады.

Әртүрлі SiC политиптерінің әртүрлі қолданылуы бар. Мысалы, α-SiC ішіндегі 4H-SiC жоғары қуатты құрылғыларды өндіру үшін қолайлы, ал 6H-SiC ең тұрақты түрі және оптоэлектрондық құрылғыларда қолданылады. β-SiC, РЖ құрылғыларында қолданудан басқа, қорғаныс функцияларын қамтамасыз ететін жоғары температурада, жоғары тозуда және жоғары коррозиялық ортада жұқа қабықша және жабын материалы ретінде де маңызды. β-SiC α-SiC-тен бірнеше артықшылықтарға ие:

(1)Оның жылу өткізгіштігі 120-200 Вт/м·К аралығында ауытқиды, бұл α-SiC 100-140 Вт/м·К шамасынан айтарлықтай жоғары.

(2) β-SiC жоғары қаттылық пен тозуға төзімділікті көрсетеді.

(3) Коррозияға төзімділік тұрғысынан, α-SiC тотықтырмайтын және жұмсақ қышқылды ортада жақсы жұмыс істегенімен, β-SiC агрессивті тотықтырғыш және күшті сілтілі жағдайларда тұрақты болып қалады, бұл химиялық орталардың кең ауқымында өзінің жоғары коррозияға төзімділігін көрсетеді. .

Сонымен қатар, β-SiC термиялық кеңею коэффициенті графитпен тығыз сәйкес келеді, бұл біріктірілген қасиеттерге байланысты оны пластинкалы эпитаксистік жабдықта графит негіздегі беттік жабындар үшін қолайлы материал етеді.

3. SiC жабындары және дайындау әдістері

(1) SiC жабындары

SiC жабындары β-SiC-тен түзілген, әр түрлі жабу немесе тұндыру процестері арқылы субстрат беттеріне қолданылатын жұқа қабықшалар. Бұл жабындар әдетте қаттылықты, тозуға төзімділікті, коррозияға төзімділікті, тотығуға төзімділікті және жоғары температура өнімділігін арттыру үшін қолданылады. Кремний карбидті жабындары керамика, металдар, шыны және пластмассалар сияқты әртүрлі субстраттарда кең қолдануларға ие және аэроғарыш, автомобиль өндірісі, электроника және басқа салаларда кеңінен қолданылады.

2-сурет: Графит бетіндегі SiC жабынының көлденең қимасының микроқұрылымы

(2)  Дайындау әдістері

SiC жабындарын дайындаудың негізгі әдістеріне химиялық буларды тұндыру (CVD), физикалық буларды тұндыру (PVD), бүрку әдістері, электрохимиялық тұндыру және суспензия жабынын агломерациялау жатады.

Химиялық булардың тұндыру (CVD):

CVD кремний карбиді жабындарын дайындаудың ең жиі қолданылатын әдістерінің бірі болып табылады. CVD процесінде кремний және көміртегі бар прекурсорлар реакциялық камераға енгізіледі, олар кремний мен көміртек атомдарын алу үшін жоғары температурада ыдырайды. Бұл атомдар субстрат бетіне адсорбцияланады және кремний карбидінің жабындысын қалыптастыру үшін реакцияға түседі. Газ ағынының жылдамдығы, тұндыру температурасы, тұндыру қысымы және уақыт сияқты негізгі процестің параметрлерін бақылау арқылы қалыңдығын, стехиометриясын, түйір өлшемін, кристалдық құрылымын және жабынның бағытын нақты қолдану талаптарына сәйкес келтіруге болады. Бұл әдістің тағы бір артықшылығы оның жақсы адгезия және толтыру мүмкіндіктері бар үлкен және күрделі пішінді негіздерді жабуға жарамдылығы болып табылады. Дегенмен, CVD процесінде қолданылатын прекурсорлар мен жанама өнімдер көбінесе тұтанғыш және коррозиялық болып табылады, бұл өндірісті қауіпті етеді. Сонымен қатар, шикізатты пайдалану деңгейі салыстырмалы түрде төмен және дайындау шығындары жоғары.

Будың физикалық тұндыру (PVD):

PVD жоғары тазалықтағы кремний карбиді материалдарын буландыру және оларды субстрат бетіне конденсациялау, жұқа қабықшаны қалыптастыру үшін жоғары вакуумда термиялық булану немесе магнетронды шашырату сияқты физикалық әдістерді қолдануды қамтиды. Бұл әдіс жабынның қалыңдығы мен құрамын дәл бақылауға мүмкіндік береді, кескіш құрал жабындары, керамикалық жабындар, оптикалық жабындар және термиялық тосқауыл жабындары сияқты жоғары дәлдіктегі қолданбаларға жарамды тығыз кремний карбиді жабындарын шығарады. Дегенмен, күрделі пішінді компоненттерде, әсіресе ойықтарда немесе көлеңкеленген жерлерде біркелкі жабуға қол жеткізу қиын. Сонымен қатар, жабын мен субстрат арасындағы адгезия жеткіліксіз болуы мүмкін. PVD жабдығы қымбат жоғары вакуумды жүйелер мен дәл басқару жабдығы қажеттілігіне байланысты қымбатқа түседі. Сонымен қатар, тұндыру жылдамдығы баяу, нәтижесінде өндіріс тиімділігі төмен, бұл оны ірі өнеркәсіптік өндіріске жарамсыз етеді.

Бүрку техникасы:

Бұл субстрат бетіне сұйық материалдарды бүркуді және жабынды қалыптастыру үшін оларды белгілі бір температурада емдеуді қамтиды. Әдіс қарапайым және үнемді, бірақ нәтижесінде алынған жабындар әдетте субстратқа әлсіз адгезия, нашар біркелкі, жұқа жабындар және аз тотығуға төзімділігін көрсетеді, көбінесе өнімділікті арттыру үшін қосымша әдістерді қажет етеді.

Электрохимиялық тұндыру:

Бұл әдіс кремний карбиді ерітіндіден субстрат бетіне түсіру үшін электрохимиялық реакцияларды пайдаланады. Электрод потенциалын және прекурсор ерітіндісінің құрамын бақылау арқылы жабынның біркелкі өсуіне қол жеткізуге болады. Осы әдіспен дайындалған кремний карбиді жабындары химиялық/биологиялық сенсорлар, фотоэлектрлік құрылғылар, литий-ионды батареяларға арналған электродтық материалдар және коррозияға төзімді жабындар сияқты белгілі бір салаларда қолданылады.

Шламды жабу және агломерациялау:

Бұл әдіс субстрат бетіне біркелкі қолданылатын суспензия жасау үшін жабын материалын байланыстырғыштармен араластыруды қамтиды. Кептіруден кейін қапталған дайындама қажетті жабынды қалыптастыру үшін инертті атмосферада жоғары температурада агломерацияланады. Оның артықшылықтары қарапайым және оңай жұмысты және басқарылатын жабын қалыңдығын қамтиды, бірақ жабын мен субстрат арасындағы байланыстыру күші жиі әлсіз. Сондай-ақ жабындардың термиялық соққыға төзімділігі нашар, біркелкілігі төмен және процестердің үйлесімсіздігі оларды жаппай өндіруге жарамсыз етеді.

Тұтастай алғанда, кремний карбиді жабынын дайындаудың сәйкес әдісін таңдау өнімділік талаптарын, субстрат сипаттамаларын және қолдану сценарийіне негізделген шығындарды жан-жақты қарастыруды талап етеді.

4. SiC-қапталған графитті сенсорлар

SiC қапталған графит сенсорлары өте маңыздыМеталл органикалық химиялық буларды тұндыру (MOCVD) процестері, жартылай өткізгіштер, оптоэлектроника және басқа да материалтану салаларында жұқа қабықшалар мен жабындарды дайындау үшін кеңінен қолданылатын әдіс.

3-сурет

5. MOCVD жабдығындағы SiC қапталған графиттік субстраттардың функциялары

SiC қапталған графит субстраттары Металл органикалық химиялық буларды тұндыру (MOCVD) процестерінде өте маңызды, бұл әдіс жартылай өткізгіштер, оптоэлектроника және басқа да материалдық ғылымдар салаларында жұқа қабықшалар мен жабындарды дайындау үшін кеңінен қолданылады.

4-сурет:  Semicorex CVD жабдығы

Қолдау көрсететін тасымалдаушы:MOCVD-де жартылай өткізгіш материалдар вафли субстратының бетінде қабат-қабат өсіп, белгілі бір қасиеттері мен құрылымы бар жұқа қабықшаларды құра алады.SiC қапталған графит тасымалдаушыүшін берік және тұрақты платформаны қамтамасыз ететін тірек тасымалдаушы ретінде әрекет етедіэпитаксияжартылай өткізгішті жұқа қабықшалар. SiC жабынының тамаша термиялық тұрақтылығы мен химиялық инерттілігі жоғары температуралы ортада субстраттың тұрақтылығын сақтайды, коррозиялық газдармен реакцияларды азайтады және өсірілген жартылай өткізгіш пленкалардың жоғары тазалығын және тұрақты қасиеттері мен құрылымдарын қамтамасыз етеді. Мысалдарға MOCVD жабдығындағы GaN эпитаксиалды өсуіне арналған SiC қапталған графит субстраттары, бір кристалды кремнийдің эпитаксиалды өсуіне арналған SiC қапталған графит субстраттары (тегіс астарлар, дөңгелек субстраттар, үш өлшемді субстраттар) және SiC қапталған графит субстраттары жатады.SiC эпитаксиалды өсуі.

Термиялық тұрақтылық және тотығуға төзімділік:MOCVD процесі жоғары температуралық реакцияларды және тотықтырғыш газдарды қамтуы мүмкін. SiC жабыны графиттік негіз үшін қосымша термиялық тұрақтылық пен тотығудан қорғауды қамтамасыз етеді, жоғары температуралы ортада істен шығуды немесе тотығуды болдырмайды. Бұл жұқа қабықтың өсуінің консистенциясын бақылау және сақтау үшін өте маңызды.

Материалдық интерфейс пен беттік қасиеттерді басқару:SiC жабыны пленка мен субстрат арасындағы өзара әрекеттесуге әсер ете алады, өсу режимдеріне, тордың сәйкестігіне және интерфейс сапасына әсер етеді. SiC жабынының қасиеттерін реттеу арқылы материалдың дәл өсуіне және интерфейсті бақылауға қол жеткізуге болады, бұл оның өнімділігін жақсартады.эпитаксиалды пленкалар.

Қоспалардың ластануын азайту:SiC жабындарының жоғары тазалығы графиттік субстраттардан ластануды азайтады, бұлэпитаксиалды пленкалар өстіқажетті жоғары тазалыққа ие. Бұл жартылай өткізгіш құрылғылардың өнімділігі мен сенімділігі үшін өте маңызды.

5-сурет: SemicorexSiC қапталған графит рецепторыЭпитаксиядағы вафельді тасымалдаушы ретінде

Қысқаша,SiC қапталған графиттік субстраттарMOCVD процестерінде жақсы базалық қолдауды, термиялық тұрақтылықты және интерфейсті басқаруды қамтамасыз ете отырып, жоғары сапалы өнімдердің өсуіне және дайындалуына ықпал етеді.эпитаксиалды пленкалар.

6. Қорытынды және болжам

Қазіргі уақытта Қытайдағы ғылыми-зерттеу институттары өндіріс процестерін жақсартуға бағытталғанкремний карбидімен қапталған графит сенсорлары, жабынның тазалығы мен біркелкілігін арттыру және SiC жабындарының сапасы мен қызмет ету мерзімін арттыру, сонымен бірге өндіріс шығындарын азайту. Бір мезгілде олар өндіріс тиімділігі мен өнім сапасын жақсарту үшін кремний карбидімен қапталған графиттік негіздерге арналған интеллектуалды өндірістік процестерге қол жеткізу жолдарын зерттеп жатыр. Өнеркәсіп индустрияландыруға инвестиция көлемін арттырудакремний карбидімен қапталған графит астары, нарық талаптарын қанағаттандыру үшін өндіріс ауқымын және өнім сапасын арттыру. Жақында ғылыми-зерттеу мекемелері мен өндірістері қолдану сияқты жаңа жабын технологияларын белсенді түрде зерттеп жатырГрафитті қабылдағыштардағы TaC жабындары, жылу өткізгіштік пен коррозияға төзімділікті жақсарту үшін.**

Semicorex CVD SiC жабыны бар материалдар үшін жоғары сапалы құрамдастарды ұсынады. Егер сізде қандай да бір сұрақтарыңыз болса немесе қосымша мәліметтер қажет болса, бізбен байланысудан тартынбаңыз.

Байланыс телефоны +86-13567891907

Электрондық пошта: sales@semicorex.com