Uma breve história do carboneto de silício e aplicações de revestimentos de carboneto de silício

1. Desenvolvimento de SiC

Em 1893, Edward Goodrich Acheson, o descobridor do SiC, projetou um forno resistor usando materiais de carbono - conhecido como forno Acheson - para iniciar a produção industrial de carboneto de silício aquecendo eletricamente uma mistura de quartzo e carbono. Posteriormente, ele registrou uma patente para esta invenção.

Do início a meados do século 20, devido à sua excepcional dureza e resistência ao desgaste, o carboneto de silício foi usado principalmente como abrasivo em ferramentas de retificação e corte.

Durante as décadas de 1950 e 1960, com o advento datecnologia de deposição química de vapor (CVD), cientistas como Rustum Roy, do Bell Labs, nos Estados Unidos, foram pioneiros na pesquisa da tecnologia CVD SiC. Eles desenvolveram processos de deposição de vapor de SiC e conduziram explorações preliminares em suas propriedades e aplicações, alcançando a primeira deposição deRevestimentos de SiC em superfícies de grafite. Este trabalho estabeleceu uma base crucial para a preparação de CVD de materiais de revestimento de SiC.

Em 1963, os pesquisadores do Bell Labs Howard Wachtel e Joseph Wells fundaram a CVD Incorporated, com foco no desenvolvimento de tecnologias de deposição química de vapor para SiC e outros materiais de revestimento cerâmico. Em 1974, conseguiram a primeira produção industrial deprodutos de grafite revestidos com carboneto de silício. Este marco marcou um progresso significativo na tecnologia de revestimentos de carboneto de silício em superfícies de grafite, abrindo caminho para sua ampla aplicação em campos como semicondutores, óptica e aeroespacial.

Na década de 1970, pesquisadores da Union Carbide Corporation (agora uma subsidiária integral da Dow Chemical) aplicaram pela primeira vezbases de grafite revestidas com carboneto de silíciono crescimento epitaxial de materiais semicondutores como o nitreto de gálio (GaN). Esta tecnologia foi crucial para a fabricação de alto desempenhoLEDs baseados em GaN(díodos emissores de luz) e lasers, estabelecendo as bases paratecnologia de epitaxia de carboneto de silícioe se tornando um marco significativo na aplicação de materiais de carboneto de silício no campo de semicondutores.

Da década de 1980 ao início do século 21, os avanços nas tecnologias de fabricação expandiram as aplicações industriais e comerciais de revestimentos de carboneto de silício da indústria aeroespacial para automotiva, eletrônica de potência, equipamentos semicondutores e vários componentes industriais como revestimentos anticorrosivos.

Do início do século 21 até o presente, o desenvolvimento da pulverização térmica, PVD e nanotecnologia introduziu novos métodos de preparação de revestimentos. Os pesquisadores começaram a explorar e desenvolver revestimentos de carboneto de silício em nanoescala para melhorar ainda mais o desempenho do material.

Em resumo, a tecnologia de preparação paraRevestimentos de carboneto de silício CVDfez a transição da pesquisa laboratorial para aplicações industriais nas últimas décadas, alcançando progressos e avanços contínuos.

2. Estrutura do cristal SiC e campos de aplicação

O carboneto de silício tem mais de 200 politipos, categorizados principalmente em três grupos principais com base no arranjo de empilhamento dos átomos de carbono e silício: cúbico (3C), hexagonal (H) e romboédrico ®. Exemplos comuns incluem 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC e 15R-SiC. Eles podem ser amplamente divididos em dois tipos principais:

Figura 1: Estrutura Cristalina do Carboneto de Silício

α-SiC:Esta é a estrutura estável em altas temperaturas e o tipo de estrutura original encontrado na natureza.

β-SiC:Esta é a estrutura estável a baixas temperaturas, que pode ser formada pela reação de silício e carbono a cerca de 1450°C. O β-SiC pode se transformar em α-SiC em temperaturas entre 2100-2400°C.

Diferentes politipos de SiC têm usos diferentes. Por exemplo, o 4H-SiC em α-SiC é adequado para a fabricação de dispositivos de alta potência, enquanto o 6H-SiC é o tipo mais estável e é usado em dispositivos optoeletrônicos. O β-SiC, além de ser usado em dispositivos de RF, também é importante como filme fino e material de revestimento em ambientes de alta temperatura, alto desgaste e altamente corrosivos, proporcionando funções de proteção. O β-SiC tem várias vantagens sobre o α-SiC:

(1)Sua condutividade térmica varia entre 120-200 W/m·K, significativamente superior à de 100-140 W/m·K do α-SiC.

(2) β-SiC apresenta maior dureza e resistência ao desgaste.

(3) Em termos de resistência à corrosão, enquanto o α-SiC tem um bom desempenho em ambientes não oxidantes e levemente ácidos, o β-SiC permanece estável sob condições oxidantes mais agressivas e fortemente alcalinas, demonstrando sua resistência superior à corrosão em uma ampla gama de ambientes químicos. .

Além disso, o coeficiente de expansão térmica do β-SiC se aproxima muito do do grafite, tornando-o o material preferido para revestimentos de superfície em bases de grafite em equipamentos de epitaxia de wafer devido a essas propriedades combinadas.

3. Revestimentos de SiC e métodos de preparação

(1) Revestimentos de SiC

Os revestimentos de SiC são filmes finos formados a partir de β-SiC, aplicados às superfícies do substrato através de vários processos de revestimento ou deposição. Esses revestimentos são normalmente usados ​​para aumentar a dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, resistência à oxidação e desempenho em altas temperaturas. Os revestimentos de carboneto de silício têm amplas aplicações em vários substratos, como cerâmica, metais, vidro e plásticos, e são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, fabricação automotiva, eletrônica e outros campos.

Figura 2: Microestrutura transversal do revestimento de SiC na superfície de grafite

(2)  Métodos de preparação

Os principais métodos para preparar revestimentos de SiC incluem Deposição Química de Vapor (CVD), Deposição Física de Vapor (PVD), técnicas de pulverização, deposição eletroquímica e sinterização de revestimento de pasta.

Deposição Química de Vapor (CVD):

CVD é um dos métodos mais comumente usados ​​para preparar revestimentos de carboneto de silício. Durante o processo CVD, gases precursores contendo silício e carbono são introduzidos em uma câmara de reação, onde se decompõem em altas temperaturas para produzir átomos de silício e carbono. Esses átomos são adsorvidos na superfície do substrato e reagem para formar o revestimento de carboneto de silício. Ao controlar os principais parâmetros do processo, como taxa de fluxo de gás, temperatura de deposição, pressão de deposição e tempo, a espessura, estequiometria, tamanho de grão, estrutura cristalina e orientação do revestimento podem ser adaptados com precisão para atender aos requisitos específicos da aplicação. Outra vantagem deste método é a sua adequação para revestir substratos grandes e de formatos complexos, com boa adesão e capacidade de preenchimento. No entanto, os precursores e subprodutos utilizados no processo CVD são frequentemente inflamáveis ​​e corrosivos, tornando a produção perigosa. Além disso, a taxa de utilização da matéria-prima é relativamente baixa e os custos de preparação são elevados.

Deposição Física de Vapor (PVD):

O PVD envolve o uso de métodos físicos, como evaporação térmica ou pulverização catódica de magnetron sob alto vácuo para vaporizar materiais de carboneto de silício de alta pureza e condensá-los na superfície do substrato, formando uma película fina. Este método permite um controle preciso sobre a espessura e composição do revestimento, produzindo revestimentos densos de carboneto de silício adequados para aplicações de alta precisão, como revestimentos de ferramentas de corte, revestimentos cerâmicos, revestimentos ópticos e revestimentos de barreira térmica. No entanto, conseguir uma cobertura uniforme em componentes de formato complexo, especialmente em reentrâncias ou áreas sombreadas, é um desafio. Além disso, a adesão entre o revestimento e o substrato pode ser insuficiente. O equipamento PVD é caro devido à necessidade de sistemas caros de alto vácuo e equipamentos de controle de precisão. Além disso, a taxa de deposição é lenta, resultando em baixa eficiência de produção, tornando-a inadequada para produção industrial em larga escala.

Técnica de pulverização:

Isto envolve pulverizar materiais líquidos na superfície do substrato e curá-los a temperaturas específicas para formar um revestimento. O método é simples e econômico, mas os revestimentos resultantes normalmente apresentam fraca adesão ao substrato, pior uniformidade, revestimentos mais finos e menor resistência à oxidação, muitas vezes exigindo métodos suplementares para melhorar o desempenho.

Deposição Eletroquímica:

Esta técnica utiliza reações eletroquímicas para depositar carboneto de silício de uma solução na superfície do substrato. Ao controlar o potencial do eléctrodo e a composição da solução precursora, pode ser alcançado um crescimento uniforme do revestimento. Os revestimentos de carboneto de silício preparados por este método são aplicáveis ​​em campos específicos, como sensores químicos/biológicos, dispositivos fotovoltaicos, materiais de eletrodos para baterias de íons de lítio e revestimentos resistentes à corrosão.

Revestimento e Sinterização de Pasta:

Este método envolve a mistura do material de revestimento com ligantes para criar uma pasta, que é aplicada uniformemente na superfície do substrato. Após a secagem, a peça revestida é sinterizada em altas temperaturas em atmosfera inerte para formar o revestimento desejado. Suas vantagens incluem operação simples e fácil e espessura de revestimento controlável, mas a resistência de ligação entre o revestimento e o substrato é frequentemente mais fraca. Os revestimentos também apresentam baixa resistência ao choque térmico, menor uniformidade e processos inconsistentes, tornando-os inadequados para produção em massa.

No geral, a seleção do método apropriado de preparação do revestimento de carboneto de silício requer uma consideração abrangente dos requisitos de desempenho, características do substrato e custos com base no cenário de aplicação.

4. Susceptores de grafite revestidos com SiC

Susceptores de grafite revestidos com SiC são cruciais emProcessos de deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD), uma técnica amplamente utilizada para preparar filmes finos e revestimentos nas áreas de semicondutores, optoeletrônica e outras ciências de materiais.

Figura 3

5. Funções de substratos de grafite revestidos com SiC em equipamentos MOCVD

Substratos de grafite revestidos com SiC são cruciais nos processos de deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD), uma técnica amplamente utilizada para preparar filmes finos e revestimentos nas áreas de semicondutores, optoeletrônica e outras ciências de materiais.

Figura 4:  O equipamento CVD Semicorex

Transportadora de Apoio:No MOCVD, os materiais semicondutores podem crescer camada por camada na superfície do substrato do wafer, formando filmes finos com propriedades e estruturas específicas.O transportador de grafite revestido de SiCatua como uma transportadora de suporte, fornecendo uma plataforma robusta e estável para oepitaxiade filmes finos semicondutores. A excelente estabilidade térmica e inércia química do revestimento de SiC mantêm a estabilidade do substrato em ambientes de alta temperatura, reduzindo reações com gases corrosivos e garantindo a alta pureza e propriedades e estruturas consistentes dos filmes semicondutores cultivados. Os exemplos incluem substratos de grafite revestidos com SiC para crescimento epitaxial de GaN em equipamentos MOCVD, substratos de grafite revestidos com SiC para crescimento epitaxial de silício de cristal único (substratos planos, substratos redondos, substratos tridimensionais) e substratos de grafite revestidos com SiC paraCrescimento epitaxial de SiC.

Estabilidade térmica e resistência à oxidação:O processo MOCVD pode envolver reações de alta temperatura e gases oxidantes. O revestimento SiC fornece estabilidade térmica adicional e proteção contra oxidação para o substrato de grafite, evitando falhas ou oxidação em ambientes de alta temperatura. Isto é crucial para controlar e manter a consistência do crescimento do filme fino.

Interface de material e controle de propriedades de superfície:O revestimento de SiC pode influenciar as interações entre o filme e o substrato, afetando os modos de crescimento, a correspondência da rede e a qualidade da interface. Ao ajustar as propriedades do revestimento de SiC, é possível obter um crescimento de material e um controle de interface mais precisos, melhorando o desempenho dofilmes epitaxiais.

Reduzindo a contaminação por impurezas:A alta pureza dos revestimentos de SiC pode minimizar a contaminação por impurezas dos substratos de grafite, garantindo que ofilmes epitaxiais crescidostêm a alta pureza necessária. Isto é vital para o desempenho e a confiabilidade dos dispositivos semicondutores.

Figura 5: O SemicorexReceptor de grafite revestido com SiCcomo transportador de wafer em epitaxia

Resumindo,Substratos de grafite revestidos com SiCfornecem melhor suporte de base, estabilidade térmica e controle de interface em processos MOCVD, promovendo o crescimento e preparação de produtos de alta qualidadefilmes epitaxiais.

6. Conclusão e perspectivas

Atualmente, as instituições de pesquisa na China dedicam-se a melhorar os processos de produção desusceptores de grafite revestidos com carboneto de silício, melhorando a pureza e a uniformidade do revestimento e aumentando a qualidade e a vida útil dos revestimentos de SiC, ao mesmo tempo que reduz os custos de produção. Simultaneamente, eles estão explorando maneiras de alcançar processos de fabricação inteligentes para substratos de grafite revestidos com carboneto de silício para melhorar a eficiência da produção e a qualidade do produto. A indústria está aumentando os investimentos na industrialização desubstratos de grafite revestidos com carboneto de silício, aumentando a escala de produção e a qualidade do produto para atender às demandas do mercado. Recentemente, as instituições de investigação e as indústrias estão a explorar activamente novas tecnologias de revestimento, tais como a aplicação deRevestimentos TaC em susceptores de grafite, para melhorar a condutividade térmica e a resistência à corrosão.**

A Semicorex oferece componentes de alta qualidade para materiais revestidos com CVD SiC. Se você tiver alguma dúvida ou precisar de detalhes adicionais, não hesite em entrar em contato conosco.

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