De ontwikkeling en toepassingen van siliciumcarbide (SiC)
1. Een eeuw innovatie op het gebied van SiC
De reis van siliciumcarbide (SiC) begon in 1893, toen Edward Goodrich Acheson de Acheson-oven ontwierp, waarbij hij koolstofmaterialen gebruikte om de industriële productie van SiC te bereiken door elektrische verwarming van kwarts en koolstof. Deze uitvinding markeerde het begin van de industrialisatie van SiC en leverde Acheson een patent op.
In het begin van de 20e eeuw werd SiC voornamelijk als schuurmiddel gebruikt vanwege zijn opmerkelijke hardheid en slijtvastheid. Tegen het midden van de 20e eeuw ontsloten de ontwikkelingen op het gebied van chemische dampdepositie (CVD) nieuwe mogelijkheden. Onderzoekers van Bell Labs, onder leiding van Rustum Roy, legden de basis voor CVD SiC en bereikten de eerste SiC-coatings op grafietoppervlakken.
In de jaren zeventig vond een grote doorbraak plaats toen Union Carbide Corporation SiC-gecoat grafiet toepaste bij de epitaxiale groei van galliumnitride (GaN) halfgeleidermaterialen. Deze vooruitgang speelde een cruciale rol in hoogwaardige GaN-gebaseerde LED's en lasers. In de afgelopen decennia zijn SiC-coatings uitgebreid van halfgeleiders naar toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector en de vermogenselektronica, dankzij verbeteringen in de productietechnieken.
Tegenwoordig verbeteren innovaties zoals thermisch spuiten, PVD en nanotechnologie de prestaties en toepassing van SiC-coatings verder, wat het potentieel ervan op baanbrekende gebieden aantoont.
2. Inzicht in de kristalstructuren en toepassingen van SiC
SiC beschikt over meer dan 200 polytypes, gecategoriseerd op basis van hun atomaire rangschikkingen in kubieke (3C), hexagonale (H) en rhomboëdrische (R) structuren. Hiervan worden 4H-SiC en 6H-SiC op grote schaal gebruikt in respectievelijk krachtige en opto-elektronische apparaten, terwijl β-SiC wordt gewaardeerd vanwege zijn superieure thermische geleidbaarheid, slijtvastheid en corrosieweerstand.
β-SiC'sunieke eigenschappen, zoals een thermische geleidbaarheid van120-200 W/m·Ken een thermische uitzettingscoëfficiënt die nauw aansluit bij grafiet, maken het tot het voorkeursmateriaal voor oppervlaktecoatings in wafer-epitaxieapparatuur.
3. SiC-coatings: eigenschappen en voorbereidingstechnieken
SiC-coatings, doorgaans β-SiC, worden op grote schaal toegepast om oppervlakte-eigenschappen zoals hardheid, slijtvastheid en thermische stabiliteit te verbeteren. Veel voorkomende bereidingswijzen zijn onder meer:
- Chemische dampafzetting (CVD):Biedt hoogwaardige coatings met uitstekende hechting en uniformiteit, ideaal voor grote en complexe substraten.
- Fysische dampafzetting (PVD):Biedt nauwkeurige controle over de coatingsamenstelling, geschikt voor toepassingen met hoge precisie.
- Spuittechnieken, elektrochemische afzetting en slurrycoating: Dienen als kosteneffectieve alternatieven voor specifieke toepassingen, zij het met verschillende beperkingen op het gebied van hechting en uniformiteit.
Elke methode wordt gekozen op basis van de substraateigenschappen en toepassingsvereisten.
4. SiC-gecoate grafietsusceptoren in MOCVD
SiC-gecoate grafiet susceptors zijn onmisbaar bij Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD), een sleutelproces in de productie van halfgeleiders en opto-elektronische materialen.
Deze susceptors bieden robuuste ondersteuning voor epitaxiale filmgroei, zorgen voor thermische stabiliteit en verminderen contaminatie door onzuiverheden. De SiC-coating verbetert ook de oxidatieweerstand, de oppervlakte-eigenschappen en de interfacekwaliteit, waardoor nauwkeurige controle tijdens de filmgroei mogelijk wordt.
5. Op weg naar de toekomst
De afgelopen jaren zijn aanzienlijke inspanningen gericht op het verbeteren van de productieprocessen van met SiC gecoate grafietsubstraten. Onderzoekers richten zich op het verbeteren van de zuiverheid, uniformiteit en levensduur van coatings en tegelijkertijd het verlagen van de kosten. Daarnaast is de verkenning van innovatieve materialen zoalstantaalcarbide (TaC) coatingsbiedt potentiële verbeteringen op het gebied van thermische geleidbaarheid en corrosieweerstand, wat de weg vrijmaakt voor oplossingen van de volgende generatie.
Terwijl de vraag naar met SiC gecoate grafiet susceptors blijft groeien, zullen ontwikkelingen in intelligente productie en productie op industriële schaal de ontwikkeling van hoogwaardige producten verder ondersteunen om te voldoen aan de veranderende behoeften van de halfgeleider- en opto-elektronica-industrie.
Posttijd: 24 november 2023