تاريخ موجز لكربيد السيليكون وتطبيقات طلاءات كربيد السيليكون

1. تطوير كربيد السيليكون

في عام 1893، قام إدوارد جودريتش أتشيسون، مكتشف كربيد السيليكون، بتصميم فرن مقاوم باستخدام مواد الكربون - المعروف باسم فرن أتشيسون - لبدء الإنتاج الصناعي لكربيد السيليكون عن طريق التسخين الكهربائي لخليط من الكوارتز والكربون. وقدم بعد ذلك براءة اختراع لهذا الاختراع.

منذ أوائل القرن العشرين وحتى منتصفه، نظرًا لصلابته الاستثنائية ومقاومته للتآكل، تم استخدام كربيد السيليكون في المقام الأول كمادة كاشطة في أدوات الطحن والقطع.

خلال الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين، ومع ظهورتقنية ترسيب البخار الكيميائي (CVD).، كان العلماء مثل رستم روي في Bell Labs في الولايات المتحدة رائدين في البحث في تكنولوجيا CVD SiC. لقد طوروا عمليات ترسيب بخار كربيد السيليكون وأجروا استكشافات أولية لخصائصه وتطبيقاته، وحققوا الترسيب الأول لـطلاءات SiC على أسطح الجرافيت. لقد وضع هذا العمل أساسًا حاسمًا لإعداد CVD لمواد طلاء SiC.

في عام 1963، قام الباحثان في مختبرات بيل هوارد واتشيل وجوزيف ويلز بتأسيس شركة CVD Incorporated، مع التركيز على تطوير تقنيات ترسيب البخار الكيميائي لـ SiC ومواد طلاء السيراميك الأخرى. وفي عام 1974، حققوا أول إنتاج صناعي منمنتجات الجرافيت المغلفة بكربيد السيليكون. يمثل هذا الإنجاز تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا طلاءات كربيد السيليكون على أسطح الجرافيت، مما يمهد الطريق لتطبيقها على نطاق واسع في مجالات مثل أشباه الموصلات، والبصريات، والفضاء.

في السبعينيات، قام الباحثون في شركة يونيون كاربايد (وهي الآن شركة فرعية مملوكة بالكامل لشركة داو كيميكال) بتقديم أول طلبقواعد الجرافيت المغلفة بكربيد السيليكونفي النمو الفوقي لمواد أشباه الموصلات مثل نيتريد الغاليوم (GaN). وكانت هذه التكنولوجيا حاسمة لتصنيع عالية الأداءالمصابيح القائمة على GaN(الثنائيات الباعثة للضوء) والليزر، مما يضع الأساس لما بعد ذلكتقنية كربيد السيليكونوأصبح علامة فارقة في تطبيق مواد كربيد السيليكون في مجال أشباه الموصلات.

من الثمانينيات إلى أوائل القرن الحادي والعشرين، أدت التطورات في تقنيات التصنيع إلى توسيع التطبيقات الصناعية والتجارية لطلاءات كربيد السيليكون من الفضاء إلى السيارات وإلكترونيات الطاقة ومعدات أشباه الموصلات والمكونات الصناعية المختلفة مثل الطلاءات المضادة للتآكل.

منذ أوائل القرن الحادي والعشرين وحتى الوقت الحاضر، أدى تطور الرش الحراري، وPVD، وتكنولوجيا النانو إلى تقديم طرق جديدة لإعداد الطلاء. بدأ الباحثون في استكشاف وتطوير طبقات كربيد السيليكون النانوية لتعزيز أداء المواد.

باختصار، تكنولوجيا التحضير لطلاءات كربيد السيليكون CVDانتقلت من الأبحاث المختبرية إلى التطبيقات الصناعية خلال العقود القليلة الماضية، محققة تقدمًا واكتشافات مستمرة.

2. هيكل كريستال SiC ومجالات التطبيق

يحتوي كربيد السيليكون على أكثر من 200 نوع متعدد، يتم تصنيفها بشكل أساسي إلى ثلاث مجموعات رئيسية بناءً على ترتيب تراص ذرات الكربون والسيليكون: مكعب (3C)، سداسي (H)، ومعيني الشكل ®. تتضمن الأمثلة الشائعة 2H-SiC، و3C-SiC، و4H-SiC، و6H-SiC، و15R-SiC. ويمكن تقسيمها بشكل عام إلى نوعين رئيسيين:

الشكل 1: التركيب البلوري لكربيد السيليكون

α-كربيد:هذا هو الهيكل المستقر ذو درجة الحرارة العالية ونوع الهيكل الأصلي الموجود في الطبيعة.

β-سيك:هذا هو الهيكل المستقر عند درجة الحرارة المنخفضة، والذي يمكن تشكيله عن طريق تفاعل السيليكون والكربون عند حوالي 1450 درجة مئوية. يمكن أن يتحول β-SiC إلى α-SiC عند درجات حرارة تتراوح بين 2100-2400 درجة مئوية.

الأنواع المختلفة من SiC لها استخدامات مختلفة. على سبيل المثال، يعتبر 4H-SiC في α-SiC مناسبًا لتصنيع الأجهزة عالية الطاقة، في حين أن 6H-SiC هو النوع الأكثر استقرارًا ويستخدم في الأجهزة الإلكترونية الضوئية. β-SiC، بصرف النظر عن استخدامه في أجهزة الترددات اللاسلكية، يعد مهمًا أيضًا كطبقة رقيقة ومواد طلاء في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والتآكل العالي والتآكل الشديد، مما يوفر وظائف وقائية. يتمتع β-SiC بالعديد من المزايا مقارنة بـ α-SiC:

(1)تتراوح موصليتها الحرارية بين 120-200 واط/م·ك، وهي أعلى بكثير من 100-140 واط/م·ك لـ α-SiC.

(2) يُظهر β-SiC صلابة أعلى ومقاومة للتآكل.

(3) فيما يتعلق بمقاومة التآكل، بينما يعمل α-SiC بشكل جيد في البيئات غير المؤكسدة والحمضية الخفيفة، يظل β-SiC مستقرًا في ظل ظروف مؤكسدة أكثر عدوانية وظروف قلوية قوية، مما يدل على مقاومته الفائقة للتآكل عبر نطاق أوسع من البيئات الكيميائية. .

بالإضافة إلى ذلك، فإن معامل التمدد الحراري لـ β-SiC يتطابق بشكل وثيق مع معامل الجرافيت، مما يجعله المادة المفضلة للطلاءات السطحية على قواعد الجرافيت في معدات تنضيد الويفر بسبب هذه الخصائص المجمعة.

3. طلاءات SiC وطرق التحضير

(1) طلاءات كربيد السيليكون

طلاءات SiC عبارة عن أغشية رقيقة مكونة من β-SiC، يتم تطبيقها على أسطح الركيزة من خلال عمليات الطلاء أو الترسيب المختلفة. تُستخدم هذه الطلاءات عادةً لتعزيز الصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل ومقاومة الأكسدة وأداء درجات الحرارة العالية. تتمتع طلاءات كربيد السيليكون بتطبيقات واسعة عبر ركائز مختلفة مثل السيراميك والمعادن والزجاج والبلاستيك، وتستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران وتصنيع السيارات والإلكترونيات وغيرها من المجالات.

الشكل 2: البنية المجهرية المستعرضة لطلاء SiC على سطح الجرافيت

(2)  طرق التحضير

تشمل الطرق الرئيسية لإعداد طلاءات SiC ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، وترسيب البخار الفيزيائي (PVD)، وتقنيات الرش، والترسيب الكهروكيميائي، وتلبد الطلاء الملاط.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD):

تعد CVD إحدى الطرق الأكثر استخدامًا لتحضير طلاءات كربيد السيليكون. أثناء عملية الأمراض القلبية الوعائية، يتم إدخال الغازات الأولية المحتوية على السيليكون والكربون إلى غرفة التفاعل، حيث تتحلل عند درجات حرارة عالية لإنتاج ذرات السيليكون والكربون. تمتص هذه الذرات على سطح الركيزة وتتفاعل لتشكل طبقة كربيد السيليكون. من خلال التحكم في معلمات العملية الرئيسية مثل معدل تدفق الغاز، ودرجة حرارة الترسيب، وضغط الترسيب، والوقت، يمكن تصميم السماكة، وقياس العناصر الكيميائية، وحجم الحبوب، والبنية البلورية، واتجاه الطلاء بدقة لتلبية متطلبات التطبيق المحددة. ميزة أخرى لهذه الطريقة هي ملاءمتها لطلاء ركائز كبيرة ومعقدة الشكل مع قدرات التصاق وملء جيدة. ومع ذلك، فإن السلائف والمنتجات الثانوية المستخدمة في عملية الأمراض القلبية الوعائية غالبًا ما تكون قابلة للاشتعال ومسببة للتآكل، مما يجعل الإنتاج خطيرًا. بالإضافة إلى ذلك، معدل استخدام المواد الخام منخفض نسبيًا، وتكاليف التحضير مرتفعة.

ترسيب البخار الفيزيائي (PVD):

يتضمن PVD استخدام طرق فيزيائية مثل التبخر الحراري أو رش المغنطرون تحت فراغ عالٍ لتبخير مواد كربيد السيليكون عالية النقاء وتكثيفها على سطح الركيزة، وتشكيل طبقة رقيقة. تسمح هذه الطريقة بالتحكم الدقيق في سمك الطلاء وتكوينه، مما يؤدي إلى إنتاج طبقات كثيفة من كربيد السيليكون مناسبة للتطبيقات عالية الدقة مثل طلاء أدوات القطع، والطلاءات الخزفية، والطلاءات البصرية، وطلاءات الحاجز الحراري. ومع ذلك، فإن تحقيق تغطية موحدة للمكونات المعقدة الشكل، خاصة في التجاويف أو المناطق المظللة، يعد أمرًا صعبًا. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون الالتصاق بين الطلاء والركيزة غير كافٍ. تعد معدات PVD باهظة الثمن بسبب الحاجة إلى أنظمة عالية التفريغ باهظة الثمن ومعدات تحكم دقيقة. علاوة على ذلك، فإن معدل الترسيب بطيء، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج، مما يجعله غير مناسب للإنتاج الصناعي على نطاق واسع.

تقنية الرش:

يتضمن ذلك رش المواد السائلة على سطح الركيزة ومعالجتها في درجات حرارة محددة لتشكيل طبقة. الطريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة، ولكن الطلاءات الناتجة عادةً ما تظهر التصاقًا ضعيفًا بالركيزة، وتوحيدًا ضعيفًا، وطلاءات أرق، ومقاومة أكسدة أقل، وغالبًا ما تتطلب طرقًا تكميلية لتعزيز الأداء.

الترسيب الكهروكيميائي:

تستخدم هذه التقنية التفاعلات الكهروكيميائية لترسيب كربيد السيليكون من المحلول على سطح الركيزة. من خلال التحكم في إمكانات القطب وتكوين محلول السلائف، يمكن تحقيق نمو طلاء موحد. يمكن تطبيق طلاءات كربيد السيليكون المحضرة بهذه الطريقة في مجالات محددة مثل أجهزة الاستشعار الكيميائية/البيولوجية، والأجهزة الكهروضوئية، والمواد الكهربائية لبطاريات الليثيوم أيون، والطلاءات المقاومة للتآكل.

طلاء الملاط والتلبيد:

تتضمن هذه الطريقة خلط مادة الطلاء مع المواد الرابطة لتكوين ملاط، والذي يتم تطبيقه بشكل موحد على سطح الركيزة. بعد التجفيف، يتم تلبيد قطعة العمل المطلية عند درجات حرارة عالية في جو خامل لتشكيل الطلاء المطلوب. تشمل مزاياها التشغيل البسيط والسهل وسمك الطلاء الذي يمكن التحكم فيه، لكن قوة الترابط بين الطلاء والركيزة تكون غالبًا أضعف. تتمتع الطلاءات أيضًا بمقاومة ضعيفة للصدمات الحرارية، وتوحيد أقل، وعمليات غير متناسقة، مما يجعلها غير مناسبة للإنتاج الضخم.

بشكل عام، يتطلب اختيار طريقة إعداد طلاء كربيد السيليكون المناسبة دراسة شاملة لمتطلبات الأداء وخصائص الركيزة والتكاليف بناءً على سيناريو التطبيق.

4. مستقبلات الجرافيت المطلية بـ SiC

تعتبر مستقبلات الجرافيت المطلية بـ SiC حاسمة فيعمليات ترسيب الأبخرة الكيميائية العضوية المعدنية (MOCVD).وهي تقنية تستخدم على نطاق واسع لتحضير الأغشية الرقيقة والطلاءات في مجالات أشباه الموصلات والإلكترونيات الضوئية وعلوم المواد الأخرى.

الشكل 3

5. وظائف ركائز الجرافيت المطلية بـ SiC في معدات MOCVD

تعتبر ركائز الجرافيت المطلية بـ SiC حاسمة في عمليات ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD)، وهي تقنية تستخدم على نطاق واسع لإعداد الأغشية الرقيقة والطلاءات في مجالات أشباه الموصلات والإلكترونيات الضوئية وعلوم المواد الأخرى.

الشكل 4: معدات Semicorex CVD

دعم الناقل:في MOCVD، يمكن أن تنمو مواد أشباه الموصلات طبقة بعد طبقة على سطح الركيزة الرقاقة، وتشكل أغشية رقيقة ذات خصائص وهياكل محددة.حامل الجرافيت المطلي بـ SiCبمثابة الناقل الداعم، وتوفير منصة قوية ومستقرة لتنضيدمن الأغشية الرقيقة لأشباه الموصلات. يحافظ الثبات الحراري الممتاز والخمول الكيميائي لطلاء SiC على ثبات الركيزة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، مما يقلل التفاعلات مع الغازات المسببة للتآكل، ويضمن النقاء العالي والخصائص والهياكل المتسقة لأغشية أشباه الموصلات المزروعة. تشمل الأمثلة ركائز الجرافيت المطلية بـ SiC للنمو الفوقي لـ GaN في معدات MOCVD، وركائز الجرافيت المطلية بـ SiC للنمو الفوقي للسيليكون أحادي البلورة (ركائز مسطحة، ركائز مستديرة، ركائز ثلاثية الأبعاد)، وركائز الجرافيت المطلية بـ SiC للنمو الفوقي للسيليكون أحادي البلورةكربيد النمو الفوقي.

الاستقرار الحراري ومقاومة الأكسدة:قد تتضمن عملية MOCVD تفاعلات ذات درجة حرارة عالية وغازات مؤكسدة. يوفر طلاء SiC ثباتًا حراريًا إضافيًا وحماية من الأكسدة لركيزة الجرافيت، مما يمنع الفشل أو الأكسدة في البيئات ذات درجة الحرارة العالية. وهذا أمر بالغ الأهمية للتحكم والحفاظ على اتساق نمو الأغشية الرقيقة.

واجهة المواد والتحكم في خصائص السطح:يمكن أن يؤثر طلاء SiC على التفاعلات بين الفيلم والركيزة، مما يؤثر على أوضاع النمو، ومطابقة الشبكة، وجودة الواجهة. ومن خلال ضبط خصائص طلاء SiC، يمكن تحقيق نمو أكثر دقة للمواد والتحكم في الواجهة، مما يؤدي إلى تحسين أداءأفلام الفوقي.

تقليل التلوث بالشوائب:النقاء العالي لطلاءات SiC يمكن أن يقلل من تلوث الشوائب من ركائز الجرافيت، مما يضمن أننمت الأفلام الفوقيأن تتمتع بدرجة النقاء العالية المطلوبة. وهذا أمر حيوي لأداء وموثوقية أجهزة أشباه الموصلات.

الشكل 5: سيميكوركسمستقبلات الجرافيت المغلفة بـ SiCكما الويفر الناقل في Epitaxy

في ملخص،ركائز الجرافيت المغلفة بـ SiCتوفير دعم أساسي أفضل واستقرار حراري وتحكم في الواجهة في عمليات MOCVD، مما يعزز النمو وإعداد الجودة العاليةأفلام الفوقي.

6. الاستنتاج والتوقعات

حاليًا، تكرس المؤسسات البحثية في الصين جهودها لتحسين عمليات الإنتاجمستقبلات الجرافيت المغلفة بكربيد السيليكون، وتعزيز نقاء الطلاء وتوحيده، وزيادة جودة وعمر طلاءات SiC مع تقليل تكاليف الإنتاج. وفي الوقت نفسه، يستكشفون طرقًا لتحقيق عمليات تصنيع ذكية لركائز الجرافيت المطلية بكربيد السيليكون لتحسين كفاءة الإنتاج وجودة المنتج. صناعة زيادة الاستثمارات في تصنيعركائز الجرافيت المغلفة بكربيد السيليكون، تعزيز حجم الإنتاج وجودة المنتج لتلبية متطلبات السوق. في الآونة الأخيرة، تستكشف المؤسسات البحثية والصناعات بنشاط تقنيات الطلاء الجديدة، مثل تطبيقطلاءات TaC على مستقبلات الجرافيت، لتحسين التوصيل الحراري ومقاومة التآكل.**

تقدم Semicorex مكونات عالية الجودة للمواد المطلية بـ CVD SiC. إذا كانت لديك أي استفسارات أو كنت بحاجة إلى تفاصيل إضافية، فلا تتردد في الاتصال بنا.

هاتف الاتصال رقم +86-13567891907

البريد الإلكتروني: sales@semicorex.com