Una breve historia del carburo de silicio y aplicaciones de los recubrimientos de carburo de silicio

1. Desarrollo de SiC

En 1893, Edward Goodrich Acheson, el descubridor del SiC, diseñó un horno de resistencia utilizando materiales de carbono (conocido como horno Acheson) para comenzar la producción industrial de carburo de silicio calentando eléctricamente una mezcla de cuarzo y carbono. Posteriormente presentó una patente para esta invención.

Desde principios hasta mediados del siglo XX, debido a su excepcional dureza y resistencia al desgaste, el carburo de silicio se utilizó principalmente como abrasivo en herramientas de corte y rectificado.

Durante las décadas de 1950 y 1960, con la llegada deTecnología de deposición química de vapor (CVD), científicos como Rustum Roy de los Laboratorios Bell de Estados Unidos fueron pioneros en la investigación de la tecnología CVD SiC. Desarrollaron procesos de deposición de vapor de SiC y realizaron exploraciones preliminares sobre sus propiedades y aplicaciones, logrando la primera deposición deRecubrimientos de SiC sobre superficies de grafito.. Este trabajo sentó una base crucial para la preparación CVD de materiales de recubrimiento de SiC.

En 1963, los investigadores de Bell Labs, Howard Wachtel y Joseph Wells, fundaron CVD Incorporated, centrándose en el desarrollo de tecnologías de deposición química de vapor para SiC y otros materiales de revestimiento cerámico. En 1974, lograron la primera producción industrial deproductos de grafito recubiertos de carburo de silicio. Este hito marcó un progreso significativo en la tecnología de recubrimientos de carburo de silicio sobre superficies de grafito, allanando el camino para su aplicación generalizada en campos como los semiconductores, la óptica y el aeroespacial.

En la década de 1970, los investigadores de Union Carbide Corporation (ahora una subsidiaria de propiedad total de Dow Chemical) aplicaron por primera vezbases de grafito recubiertas de carburo de silicioen el crecimiento epitaxial de materiales semiconductores como el nitruro de galio (GaN). Esta tecnología fue crucial para la fabricación de alto rendimiento.LED basados ​​en GaN(diodos emisores de luz) y láseres, sentando las bases para posteriorestecnología de epitaxia de carburo de silicioy convirtiéndose en un hito importante en la aplicación de materiales de carburo de silicio en el campo de los semiconductores.

Desde la década de 1980 hasta principios del siglo XXI, los avances en las tecnologías de fabricación ampliaron las aplicaciones industriales y comerciales de los recubrimientos de carburo de silicio desde la industria aeroespacial hasta la automoción, la electrónica de potencia, los equipos semiconductores y diversos componentes industriales como recubrimientos anticorrosión.

Desde principios del siglo XXI hasta la actualidad, el desarrollo de la pulverización térmica, el PVD y la nanotecnología han introducido nuevos métodos de preparación de recubrimientos. Los investigadores comenzaron a explorar y desarrollar recubrimientos de carburo de silicio a nanoescala para mejorar aún más el rendimiento del material.

En resumen, la tecnología de preparación paraRecubrimientos de carburo de silicio CVDha pasado de la investigación de laboratorio a aplicaciones industriales en las últimas décadas, logrando avances y avances continuos.

2. Estructura cristalina de SiC y campos de aplicación

El carburo de silicio tiene más de 200 politipos, clasificados principalmente en tres grupos principales según la disposición del apilamiento de los átomos de carbono y silicio: cúbico (3C), hexagonal (H) y romboédrico ®. Los ejemplos comunes incluyen 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC y 15R-SiC. Estos se pueden dividir a grandes rasgos en dos tipos principales:

Figura 1: Estructura cristalina del carburo de silicio

α-SiC:Esta es la estructura estable a altas temperaturas y el tipo de estructura original que se encuentra en la naturaleza.

β-SiC:Esta es la estructura estable a baja temperatura, que puede formarse haciendo reaccionar silicio y carbono a alrededor de 1450°C. El β-SiC puede transformarse en α-SiC a temperaturas entre 2100 y 2400 °C.

Los diferentes politipos de SiC tienen diferentes usos. Por ejemplo, el 4H-SiC en α-SiC es adecuado para fabricar dispositivos de alta potencia, mientras que el 6H-SiC es el tipo más estable y se utiliza en dispositivos optoelectrónicos. El β-SiC, además de usarse en dispositivos de RF, también es importante como película delgada y material de recubrimiento en ambientes de alta temperatura, alto desgaste y altamente corrosivos, proporcionando funciones protectoras. El β-SiC tiene varias ventajas sobre el α-SiC:

(1)Su conductividad térmica oscila entre 120-200 W/m·K, significativamente superior a los 100-140 W/m·K del α-SiC.

(2) El β-SiC presenta mayor dureza y resistencia al desgaste.

(3) En términos de resistencia a la corrosión, mientras que el α-SiC funciona bien en ambientes no oxidantes y ligeramente ácidos, el β-SiC permanece estable en condiciones oxidantes más agresivas y fuertemente alcalinas, lo que demuestra su resistencia superior a la corrosión en una gama más amplia de entornos químicos. .

Además, el coeficiente de expansión térmica del β-SiC se asemeja mucho al del grafito, lo que lo convierte en el material preferido para recubrimientos de superficies sobre bases de grafito en equipos de epitaxia de obleas debido a estas propiedades combinadas.

3. Recubrimientos de SiC y métodos de preparación

(1) Recubrimientos de SiC

Los recubrimientos de SiC son películas delgadas formadas a partir de β-SiC, que se aplican a las superficies del sustrato mediante diversos procesos de recubrimiento o deposición. Estos recubrimientos se utilizan normalmente para mejorar la dureza, la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión, la resistencia a la oxidación y el rendimiento a altas temperaturas. Los recubrimientos de carburo de silicio tienen amplias aplicaciones en diversos sustratos, como cerámica, metales, vidrio y plásticos, y se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, la fabricación de automóviles, la electrónica y otros campos.

Figura 2: Microestructura transversal del revestimiento de SiC sobre una superficie de grafito

(2)  Métodos de preparación

Los principales métodos para preparar recubrimientos de SiC incluyen la deposición química de vapor (CVD), la deposición física de vapor (PVD), técnicas de pulverización, deposición electroquímica y sinterización de recubrimientos en suspensión.

Deposición química de vapor (CVD):

CVD es uno de los métodos más utilizados para preparar recubrimientos de carburo de silicio. Durante el proceso CVD, se introducen gases precursores que contienen silicio y carbono en una cámara de reacción, donde se descomponen a altas temperaturas para producir átomos de silicio y carbono. Estos átomos se adsorben sobre la superficie del sustrato y reaccionan para formar el recubrimiento de carburo de silicio. Al controlar los parámetros clave del proceso, como el caudal de gas, la temperatura de deposición, la presión de deposición y el tiempo, el espesor, la estequiometría, el tamaño de grano, la estructura cristalina y la orientación del recubrimiento se pueden adaptar con precisión para cumplir con los requisitos de aplicaciones específicas. Otra ventaja de este método es su idoneidad para recubrir sustratos grandes y de formas complejas con buena adherencia y capacidad de relleno. Sin embargo, los precursores y subproductos utilizados en el proceso CVD suelen ser inflamables y corrosivos, lo que hace que la producción sea peligrosa. Además, la tasa de utilización de materia prima es relativamente baja y los costos de preparación son altos.

Deposición física de vapor (PVD):

PVD implica el uso de métodos físicos como la evaporación térmica o la pulverización catódica con magnetrón en alto vacío para vaporizar materiales de carburo de silicio de alta pureza y condensarlos sobre la superficie del sustrato, formando una película delgada. Este método permite un control preciso sobre el espesor y la composición del recubrimiento, produciendo recubrimientos densos de carburo de silicio adecuados para aplicaciones de alta precisión, como recubrimientos de herramientas de corte, recubrimientos cerámicos, recubrimientos ópticos y recubrimientos de barrera térmica. Sin embargo, lograr una cobertura uniforme en componentes de formas complejas, particularmente en huecos o áreas sombreadas, es un desafío. Además, la adherencia entre el revestimiento y el sustrato puede ser insuficiente. Los equipos PVD son costosos debido a la necesidad de costosos sistemas de alto vacío y equipos de control de precisión. Además, la tasa de deposición es lenta, lo que resulta en una baja eficiencia de producción, lo que la hace inadecuada para la producción industrial a gran escala.

Técnica de pulverización:

Esto implica rociar materiales líquidos sobre la superficie del sustrato y curarlos a temperaturas específicas para formar un recubrimiento. El método es simple y rentable, pero los recubrimientos resultantes generalmente exhiben una adhesión débil al sustrato, una uniformidad más pobre, recubrimientos más delgados y una menor resistencia a la oxidación, lo que a menudo requiere métodos complementarios para mejorar el rendimiento.

Deposición electroquímica:

Esta técnica utiliza reacciones electroquímicas para depositar carburo de silicio de una solución sobre la superficie del sustrato. Controlando el potencial del electrodo y la composición de la solución precursora, se puede lograr un crecimiento uniforme del recubrimiento. Los recubrimientos de carburo de silicio preparados mediante este método son aplicables en campos específicos como sensores químicos/biológicos, dispositivos fotovoltaicos, materiales de electrodos para baterías de iones de litio y recubrimientos resistentes a la corrosión.

Recubrimiento de lechada y sinterización:

Este método implica mezclar el material de recubrimiento con aglutinantes para crear una suspensión que se aplica uniformemente a la superficie del sustrato. Después del secado, la pieza recubierta se sinteriza a altas temperaturas en una atmósfera inerte para formar el recubrimiento deseado. Sus ventajas incluyen una operación simple y fácil y un espesor de recubrimiento controlable, pero la fuerza de unión entre el recubrimiento y el sustrato suele ser más débil. Los recubrimientos también tienen poca resistencia al choque térmico, menor uniformidad y procesos inconsistentes, lo que los hace inadecuados para la producción en masa.

En general, seleccionar el método de preparación de recubrimiento de carburo de silicio adecuado requiere una consideración exhaustiva de los requisitos de rendimiento, las características del sustrato y los costos según el escenario de aplicación.

4. Susceptores de grafito recubiertos de SiC

Los susceptores de grafito recubiertos de SiC son cruciales enProcesos de deposición química de vapores de metales orgánicos (MOCVD), una técnica ampliamente utilizada para preparar películas delgadas y recubrimientos en los campos de los semiconductores, la optoelectrónica y otras ciencias de los materiales.

figura 3

5. Funciones de los sustratos de grafito recubiertos de SiC en equipos MOCVD

Los sustratos de grafito recubiertos de SiC son cruciales en los procesos de deposición química de vapores de metales orgánicos (MOCVD), una técnica ampliamente utilizada para preparar películas delgadas y recubrimientos en los campos de los semiconductores, la optoelectrónica y otras ciencias de los materiales.

Figura 4: El equipo CVD Semicorex

Transportista de apoyo:En MOCVD, los materiales semiconductores pueden crecer capa por capa sobre la superficie del sustrato de la oblea, formando películas delgadas con propiedades y estructuras específicas.El soporte de grafito recubierto de SiCactúa como soporte, proporcionando una plataforma robusta y estable para elepitaxiade películas delgadas de semiconductores. La excelente estabilidad térmica y la inercia química del recubrimiento de SiC mantienen la estabilidad del sustrato en entornos de alta temperatura, lo que reduce las reacciones con gases corrosivos y garantiza la alta pureza y las propiedades y estructuras consistentes de las películas semiconductoras cultivadas. Los ejemplos incluyen sustratos de grafito recubiertos de SiC para el crecimiento epitaxial de GaN en equipos MOCVD, sustratos de grafito recubiertos de SiC para el crecimiento epitaxial de silicio monocristalino (sustratos planos, sustratos redondos, sustratos tridimensionales) y sustratos de grafito recubiertos de SiC paraCrecimiento epitaxial de SiC.

Estabilidad térmica y resistencia a la oxidación:El proceso MOCVD puede implicar reacciones a alta temperatura y gases oxidantes. El recubrimiento de SiC proporciona estabilidad térmica adicional y protección contra la oxidación para el sustrato de grafito, evitando fallas u oxidación en ambientes de alta temperatura. Esto es crucial para controlar y mantener la consistencia del crecimiento de películas delgadas.

Control de propiedades de superficie y interfaz de material:El recubrimiento de SiC puede influir en las interacciones entre la película y el sustrato, afectando los modos de crecimiento, la coincidencia de la red y la calidad de la interfaz. Al ajustar las propiedades del recubrimiento de SiC, se puede lograr un crecimiento del material y un control de la interfaz más precisos, mejorando el rendimiento depelículas epitaxiales.

Reducción de la contaminación por impurezas:La alta pureza de los recubrimientos de SiC puede minimizar la contaminación por impurezas de los sustratos de grafito, asegurando que elpelículas epitaxiales crecidastener la alta pureza requerida. Esto es vital para el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos semiconductores.

Figura 5: El SemicorexReceptor de grafito recubierto de SiCcomo portador de obleas en epitaxia

En resumen,Sustratos de grafito recubiertos de SiCProporcionar un mejor soporte de base, estabilidad térmica y control de interfaz en procesos MOCVD, promoviendo el crecimiento y la preparación de alta calidad.películas epitaxiales.

6. Conclusión y perspectivas

Actualmente, las instituciones de investigación en China se dedican a mejorar los procesos de producción desusceptores de grafito recubiertos de carburo de silicio, mejorando la pureza y uniformidad del recubrimiento y aumentando la calidad y la vida útil de los recubrimientos de SiC al tiempo que reduce los costos de producción. Al mismo tiempo, están explorando formas de lograr procesos de fabricación inteligentes para sustratos de grafito recubiertos de carburo de silicio para mejorar la eficiencia de la producción y la calidad del producto. La industria está aumentando las inversiones en la industrialización desustratos de grafito recubiertos de carburo de silicio, mejorando la escala de producción y la calidad del producto para satisfacer las demandas del mercado. Recientemente, las instituciones de investigación y las industrias están explorando activamente nuevas tecnologías de recubrimiento, como la aplicación deRecubrimientos de TaC sobre susceptores de grafito, para mejorar la conductividad térmica y la resistencia a la corrosión.**

Semicorex ofrece componentes de alta calidad para materiales recubiertos de CVD SiC. Si tiene alguna consulta o necesita detalles adicionales, no dude en ponerse en contacto con nosotros.

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