Η ανάπτυξη και οι εφαρμογές του καρβιδίου του πυριτίου (SiC)
1. Ένας αιώνας καινοτομίας στο SiC
Το ταξίδι του καρβιδίου του πυριτίου (SiC) ξεκίνησε το 1893, όταν ο Edward Goodrich Acheson σχεδίασε τον κλίβανο Acheson, χρησιμοποιώντας υλικά άνθρακα για να επιτύχει τη βιομηχανική παραγωγή του SiC μέσω ηλεκτρικής θέρμανσης χαλαζία και άνθρακα. Αυτή η εφεύρεση σηματοδότησε την έναρξη της εκβιομηχάνισης του SiC και χάρισε στον Acheson ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.
Στις αρχές του 20ου αιώνα, το SiC χρησιμοποιήθηκε κυρίως ως λειαντικό λόγω της αξιοσημείωτης σκληρότητάς του και αντοχής στη φθορά. Μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα, οι εξελίξεις στην τεχνολογία χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) ξεκλείδωσαν νέες δυνατότητες. Ερευνητές στα εργαστήρια Bell, με επικεφαλής τον Rustum Roy, έθεσαν τις βάσεις για το CVD SiC, επιτυγχάνοντας τις πρώτες επικαλύψεις SiC σε επιφάνειες γραφίτη.
Η δεκαετία του 1970 σημειώθηκε μια σημαντική ανακάλυψη όταν η Union Carbide Corporation εφάρμοσε γραφίτη επικαλυμμένο με SiC στην επιταξιακή ανάπτυξη υλικών ημιαγωγών νιτριδίου του γαλλίου (GaN). Αυτή η εξέλιξη έπαιξε καθοριστικό ρόλο σε LED και λέιζερ υψηλής απόδοσης που βασίζονται σε GaN. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι επικαλύψεις SiC έχουν επεκταθεί πέρα από τους ημιαγωγούς σε εφαρμογές στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τα ηλεκτρονικά ισχύος, χάρη στις βελτιώσεις στις τεχνικές κατασκευής.
Σήμερα, καινοτομίες όπως ο θερμικός ψεκασμός, το PVD και η νανοτεχνολογία ενισχύουν περαιτέρω την απόδοση και την εφαρμογή των επικαλύψεων SiC, αναδεικνύοντας τις δυνατότητές του σε τομείς αιχμής.
2. Κατανόηση των κρυσταλλικών δομών και των χρήσεων του SiC
Το SiC μπορεί να υπερηφανεύεται για περισσότερους από 200 πολυτύπους, που κατηγοριοποιούνται από την ατομική τους διάταξη σε κυβικές (3C), εξαγωνικές (H) και ρομβοεδρικές (R). Μεταξύ αυτών, το 4H-SiC και το 6H-SiC χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές υψηλής ισχύος και οπτοηλεκτρονικές συσκευές, αντίστοιχα, ενώ το β-SiC εκτιμάται για την ανώτερη θερμική αγωγιμότητα, την αντοχή στη φθορά και την αντοχή στη διάβρωση.
β-SiC'sμοναδικές ιδιότητες, όπως η θερμική αγωγιμότητα του120-200 W/m·Kκαι ένας συντελεστής θερμικής διαστολής που ταιριάζει στενά με τον γραφίτη, τον καθιστούν το προτιμώμενο υλικό για επιστρώσεις επιφανειών σε εξοπλισμό επιταξίας γκοφρέτας.
3. Επιστρώσεις SiC: Ιδιότητες και τεχνικές προετοιμασίας
Οι επικαλύψεις SiC, συνήθως β-SiC, εφαρμόζονται ευρέως για να βελτιώσουν τις ιδιότητες της επιφάνειας όπως η σκληρότητα, η αντοχή στη φθορά και η θερμική σταθερότητα. Οι συνήθεις μέθοδοι παρασκευής περιλαμβάνουν:
- Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD):Παρέχει επιστρώσεις υψηλής ποιότητας με εξαιρετική πρόσφυση και ομοιομορφία, ιδανικά για μεγάλα και πολύπλοκα υποστρώματα.
- Φυσική εναπόθεση ατμών (PVD):Προσφέρει ακριβή έλεγχο της σύνθεσης επίστρωσης, κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής ακρίβειας.
- Τεχνικές ψεκασμού, ηλεκτροχημική εναπόθεση και επίστρωση πολτού: Χρησιμεύουν ως οικονομικά αποδοτικές εναλλακτικές λύσεις για συγκεκριμένες εφαρμογές, αν και με ποικίλους περιορισμούς στην πρόσφυση και την ομοιομορφία.
Κάθε μέθοδος επιλέγεται με βάση τα χαρακτηριστικά του υποστρώματος και τις απαιτήσεις εφαρμογής.
4. Επικαλυμμένοι με SiC επιδεκτικοί γραφίτης σε MOCVD
Οι επικαλυμμένοι με SiC υποδοχείς γραφίτη είναι απαραίτητοι στην εναπόθεση μεταλλικών οργανικών χημικών ατμών (MOCVD), μια βασική διαδικασία στην κατασκευή ημιαγωγών και οπτοηλεκτρονικών υλικών.
Αυτοί οι υποδοχείς παρέχουν ισχυρή υποστήριξη για την επιταξιακή ανάπτυξη του φιλμ, εξασφαλίζοντας θερμική σταθερότητα και μειώνοντας τη μόλυνση από ακαθαρσίες. Η επίστρωση SiC ενισχύει επίσης την αντίσταση στην οξείδωση, τις ιδιότητες της επιφάνειας και την ποιότητα της διεπαφής, επιτρέποντας τον ακριβή έλεγχο κατά την ανάπτυξη του φιλμ.
5. Προχωρώντας προς το Μέλλον
Τα τελευταία χρόνια, σημαντικές προσπάθειες έχουν κατευθυνθεί στη βελτίωση των διαδικασιών παραγωγής υποστρωμάτων γραφίτη επικαλυμμένα με SiC. Οι ερευνητές εστιάζουν στην ενίσχυση της καθαρότητας, της ομοιομορφίας και της διάρκειας ζωής της επίστρωσης με παράλληλη μείωση του κόστους. Επιπλέον, η εξερεύνηση καινοτόμων υλικών όπωςεπικαλύψεις καρβιδίου τανταλίου (TaC).προσφέρει πιθανές βελτιώσεις στη θερμική αγωγιμότητα και την αντοχή στη διάβρωση, ανοίγοντας το δρόμο για λύσεις επόμενης γενιάς.
Καθώς η ζήτηση για επικαλυμμένους με SiC υποδοχείς γραφίτη συνεχίζει να αυξάνεται, οι εξελίξεις στην έξυπνη κατασκευή και την παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας θα υποστηρίξουν περαιτέρω την ανάπτυξη προϊόντων υψηλής ποιότητας για την κάλυψη των εξελισσόμενων αναγκών της βιομηχανίας ημιαγωγών και οπτοηλεκτρονικών.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-24-2023