Eine kurze Geschichte von Siliziumkarbid und Anwendungen von Siliziumkarbid-Beschichtungen

1. Entwicklung von SiC

Im Jahr 1893 entwarf Edward Goodrich Acheson, der Entdecker von SiC, einen Widerstandsofen aus Kohlenstoffmaterialien – den sogenannten Acheson-Ofen –, um mit der industriellen Produktion von Siliziumkarbid durch elektrisches Erhitzen einer Mischung aus Quarz und Kohlenstoff zu beginnen. Anschließend meldete er ein Patent für diese Erfindung an.

Vom Anfang bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurde Siliziumkarbid aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte und Verschleißfestigkeit hauptsächlich als Schleifmittel in Schleif- und Schneidwerkzeugen verwendet.

In den 1950er und 1960er Jahren, mit dem Aufkommen vonchemische Gasphasenabscheidung (CVD)-TechnologieWissenschaftler wie Rustum Roy von Bell Labs in den Vereinigten Staaten leisteten Pionierarbeit bei der Erforschung der CVD-SiC-Technologie. Sie entwickelten Verfahren zur SiC-Dampfabscheidung und führten vorläufige Untersuchungen zu dessen Eigenschaften und Anwendungen durch, wobei sie die erste Abscheidung von SiC erreichtenSiC-Beschichtungen auf Graphitoberflächen. Diese Arbeit legte einen entscheidenden Grundstein für die CVD-Herstellung von SiC-Beschichtungsmaterialien.

Im Jahr 1963 gründeten die Bell Labs-Forscher Howard Wachtel und Joseph Wells CVD Incorporated und konzentrierten sich auf die Entwicklung chemischer Gasphasenabscheidungstechnologien für SiC und andere keramische Beschichtungsmaterialien. 1974 gelang ihnen die erste industrielle Produktion vonSiliziumkarbidbeschichtete Graphitprodukte. Dieser Meilenstein markierte einen bedeutenden Fortschritt in der Technologie der Siliziumkarbidbeschichtungen auf Graphitoberflächen und ebnete den Weg für deren weit verbreitete Anwendung in Bereichen wie Halbleiter, Optik und Luft- und Raumfahrt.

In den 1970er Jahren beantragten erstmals Forscher der Union Carbide Corporation (heute eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Dow Chemical).Siliziumkarbidbeschichtete Graphitbasenbeim epitaktischen Wachstum von Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN). Diese Technologie war entscheidend für die Herstellung von HochleistungsproduktenGaN-basierte LEDs(Leuchtdioden) und Laser und legen damit den Grundstein für die weitere EntwicklungSiliziumkarbid-Epitaxie-Technologieund wird zu einem bedeutenden Meilenstein bei der Anwendung von Siliziumkarbidmaterialien im Halbleiterbereich.

Von den 1980er Jahren bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts erweiterten Fortschritte in den Fertigungstechnologien die industriellen und kommerziellen Anwendungen von Siliziumkarbidbeschichtungen von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Automobilindustrie, Leistungselektronik, Halbleiterausrüstung und verschiedenen Industriekomponenten als Korrosionsschutzbeschichtungen.

Vom Beginn des 21. Jahrhunderts bis heute hat die Entwicklung des thermischen Spritzens, der PVD und der Nanotechnologie neue Methoden zur Beschichtungsvorbereitung eingeführt. Forscher begannen mit der Erforschung und Entwicklung nanoskaliger Siliziumkarbidbeschichtungen, um die Materialleistung weiter zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vorbereitungstechnologie fürCVD-Siliziumkarbid-Beschichtungenhat sich in den letzten Jahrzehnten von der Laborforschung zu industriellen Anwendungen entwickelt und dabei kontinuierliche Fortschritte und Durchbrüche erzielt.

2. SiC-Kristallstruktur und Anwendungsgebiete

Siliziumkarbid hat über 200 Polytypen, die hauptsächlich in drei Hauptgruppen eingeteilt werden, basierend auf der Stapelanordnung von Kohlenstoff- und Siliziumatomen: kubisch (3C), hexagonal (H) und rhomboedrisch®. Gängige Beispiele sind 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC und 15R-SiC. Diese können grob in zwei Haupttypen unterteilt werden:

Abbildung 1: Kristallstruktur von Siliziumkarbid

α-SiC:Dies ist die hochtemperaturstabile Struktur und der ursprüngliche Strukturtyp, der in der Natur vorkommt.

β-SiC:Dies ist die tieftemperaturstabile Struktur, die durch die Reaktion von Silizium und Kohlenstoff bei etwa 1450 °C gebildet werden kann. β-SiC kann sich bei Temperaturen zwischen 2100 und 2400 °C in α-SiC umwandeln.

Verschiedene SiC-Polytypen haben unterschiedliche Verwendungszwecke. Beispielsweise eignet sich 4H-SiC in α-SiC für die Herstellung von Hochleistungsgeräten, während 6H-SiC der stabilste Typ ist und in optoelektronischen Geräten verwendet wird. β-SiC wird nicht nur in HF-Geräten verwendet, sondern ist auch als dünnes Film- und Beschichtungsmaterial in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Verschleiß und starker Korrosion wichtig und bietet Schutzfunktionen. β-SiC hat gegenüber α-SiC mehrere Vorteile:

(1)Seine Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen 120 und 200 W/m·K und ist damit deutlich höher als die von α-SiC mit 100–140 W/m·K.

(2) β-SiC weist eine höhere Härte und Verschleißfestigkeit auf.

(3) Was die Korrosionsbeständigkeit betrifft, zeigt α-SiC in nicht oxidierenden und leicht sauren Umgebungen eine gute Leistung, während β-SiC unter aggressiveren oxidierenden und stark alkalischen Bedingungen stabil bleibt und seine überlegene Korrosionsbeständigkeit in einem breiteren Spektrum chemischer Umgebungen unter Beweis stellt .

Darüber hinaus entspricht der Wärmeausdehnungskoeffizient von β-SiC nahezu dem von Graphit, was es aufgrund dieser kombinierten Eigenschaften zum bevorzugten Material für Oberflächenbeschichtungen auf Graphitbasis in Wafer-Epitaxie-Geräten macht.

3. SiC-Beschichtungen und Herstellungsmethoden

(1) SiC-Beschichtungen

SiC-Beschichtungen sind dünne Filme aus β-SiC, die durch verschiedene Beschichtungs- oder Abscheidungsprozesse auf Substratoberflächen aufgebracht werden. Diese Beschichtungen werden typischerweise zur Verbesserung der Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung verwendet. Siliziumkarbidbeschichtungen finden breite Anwendung auf verschiedenen Substraten wie Keramik, Metallen, Glas und Kunststoffen und werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Elektronik und in anderen Bereichen eingesetzt.

Abbildung 2: Mikrostruktur im Querschnitt einer SiC-Beschichtung auf einer Graphitoberfläche

(2)  Vorbereitungsmethoden

Zu den Hauptmethoden zur Herstellung von SiC-Beschichtungen gehören die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Sprühtechniken, die elektrochemische Abscheidung und das Sintern von Aufschlämmungsbeschichtungen.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):

CVD ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Herstellung von Siliziumkarbidbeschichtungen. Beim CVD-Prozess werden silizium- und kohlenstoffhaltige Vorläufergase in eine Reaktionskammer eingeleitet, wo sie sich bei hohen Temperaturen zu Silizium- und Kohlenstoffatomen zersetzen. Diese Atome adsorbieren auf der Substratoberfläche und reagieren unter Bildung der Siliziumkarbidbeschichtung. Durch die Steuerung wichtiger Prozessparameter wie Gasdurchflussrate, Abscheidungstemperatur, Abscheidungsdruck und Zeit können Dicke, Stöchiometrie, Korngröße, Kristallstruktur und Ausrichtung der Beschichtung genau auf die spezifischen Anwendungsanforderungen zugeschnitten werden. Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist ihre Eignung zur Beschichtung großer und komplex geformter Substrate mit guter Haftung und Füllvermögen. Allerdings sind die im CVD-Prozess verwendeten Vorläufer und Nebenprodukte oft brennbar und korrosiv, was die Produktion gefährlich macht. Darüber hinaus ist die Rohstoffausnutzung relativ gering und die Aufbereitungskosten hoch.

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD):

Bei der PVD werden physikalische Methoden wie thermische Verdampfung oder Magnetronsputtern unter Hochvakuum eingesetzt, um hochreine Siliziumkarbidmaterialien zu verdampfen und auf der Substratoberfläche zu kondensieren und so einen dünnen Film zu bilden. Diese Methode ermöglicht eine präzise Kontrolle der Dicke und Zusammensetzung der Beschichtung und erzeugt dichte Siliziumkarbidbeschichtungen, die für hochpräzise Anwendungen wie Schneidwerkzeugbeschichtungen, Keramikbeschichtungen, optische Beschichtungen und Wärmedämmschichten geeignet sind. Allerdings ist es eine Herausforderung, eine gleichmäßige Abdeckung komplex geformter Bauteile zu erreichen, insbesondere in Aussparungen oder schattigen Bereichen. Darüber hinaus kann die Haftung zwischen Beschichtung und Untergrund unzureichend sein. PVD-Geräte sind kostspielig, da teure Hochvakuumsysteme und Präzisionssteuergeräte erforderlich sind. Darüber hinaus ist die Abscheidungsrate langsam, was zu einer geringen Produktionseffizienz führt und es für die industrielle Produktion im großen Maßstab ungeeignet macht.

Sprühtechnik:

Hierbei werden flüssige Materialien auf die Substratoberfläche gesprüht und bei bestimmten Temperaturen zu einer Beschichtung ausgehärtet. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig, aber die resultierenden Beschichtungen weisen typischerweise eine schwache Haftung auf dem Substrat, eine schlechtere Gleichmäßigkeit, dünnere Beschichtungen und eine geringere Oxidationsbeständigkeit auf, sodass häufig zusätzliche Methoden zur Verbesserung der Leistung erforderlich sind.

Elektrochemische Abscheidung:

Diese Technik nutzt elektrochemische Reaktionen, um Siliziumkarbid aus einer Lösung auf der Substratoberfläche abzuscheiden. Durch die Steuerung des Elektrodenpotentials und der Zusammensetzung der Vorläuferlösung kann ein gleichmäßiges Beschichtungswachstum erreicht werden. Mit dieser Methode hergestellte Siliziumkarbidbeschichtungen sind in bestimmten Bereichen wie chemischen/biologischen Sensoren, Photovoltaikgeräten, Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien und korrosionsbeständigen Beschichtungen anwendbar.

Slurry-Beschichtung und Sintern:

Bei diesem Verfahren wird das Beschichtungsmaterial mit Bindemitteln zu einer Aufschlämmung vermischt, die gleichmäßig auf die Substratoberfläche aufgetragen wird. Nach dem Trocknen wird das beschichtete Werkstück bei hohen Temperaturen in einer inerten Atmosphäre gesintert, um die gewünschte Beschichtung zu bilden. Zu seinen Vorteilen gehören die einfache und leichte Bedienung und die kontrollierbare Schichtdicke, allerdings ist die Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und Untergrund oft schwächer. Die Beschichtungen weisen außerdem eine schlechte Temperaturwechselbeständigkeit, eine geringere Gleichmäßigkeit und inkonsistente Prozesse auf, was sie für die Massenproduktion ungeeignet macht.

Insgesamt erfordert die Auswahl der geeigneten Methode zur Herstellung einer Siliziumkarbid-Beschichtung eine umfassende Berücksichtigung der Leistungsanforderungen, Substrateigenschaften und Kosten basierend auf dem Anwendungsszenario.

4. SiC-beschichtete Graphit-Suszeptoren

SiC-beschichtete Graphitsuszeptoren sind dabei von entscheidender BedeutungMOCVD-Prozesse (Metal Organic Chemical Vapour Deposition)., eine Technik, die häufig zur Herstellung dünner Filme und Beschichtungen in den Bereichen Halbleiter, Optoelektronik und anderen Materialwissenschaften eingesetzt wird.

Figur 3

5. Funktionen von SiC-beschichteten Graphitsubstraten in MOCVD-Geräten

SiC-beschichtete Graphitsubstrate sind von entscheidender Bedeutung für MOCVD-Prozesse (Metal Organic Chemical Vapour Deposition), eine Technik, die häufig zur Herstellung dünner Filme und Beschichtungen in den Bereichen Halbleiter, Optoelektronik und anderen Materialwissenschaften eingesetzt wird.

Abbildung 4: Die CVD-Ausrüstung von Semicorex

Unterstützender Träger:Beim MOCVD können Halbleitermaterialien Schicht für Schicht auf der Wafersubstratoberfläche wachsen und so dünne Filme mit spezifischen Eigenschaften und Strukturen bilden.Der SiC-beschichtete Graphitträgerfungiert als tragender Träger und bietet eine robuste und stabile Plattform fürEpitaxievon Halbleiterdünnfilmen. Die hervorragende thermische Stabilität und chemische Inertheit der SiC-Beschichtung sorgt für die Stabilität des Substrats in Umgebungen mit hohen Temperaturen, reduziert Reaktionen mit korrosiven Gasen und gewährleistet die hohe Reinheit sowie konsistente Eigenschaften und Strukturen der gewachsenen Halbleiterfilme. Beispiele hierfür sind SiC-beschichtete Graphitsubstrate für das epitaktische Wachstum von GaN in MOCVD-Geräten, SiC-beschichtete Graphitsubstrate für das epitaktische Wachstum von einkristallinem Silizium (flache Substrate, runde Substrate, dreidimensionale Substrate) und SiC-beschichtete Graphitsubstrate fürEpitaktisches SiC-Wachstum.

Thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit:Der MOCVD-Prozess kann Hochtemperaturreaktionen und oxidierende Gase beinhalten. Die SiC-Beschichtung sorgt für zusätzliche thermische Stabilität und Oxidationsschutz für das Graphitsubstrat und verhindert so Ausfälle oder Oxidation in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Dies ist entscheidend für die Kontrolle und Aufrechterhaltung der Konsistenz des Dünnschichtwachstums.

Steuerung von Materialschnittstellen und Oberflächeneigenschaften:Die SiC-Beschichtung kann die Wechselwirkungen zwischen Film und Substrat beeinflussen und sich auf Wachstumsmodi, Gitteranpassung und Schnittstellenqualität auswirken. Durch die Anpassung der Eigenschaften der SiC-Beschichtung können ein präziseres Materialwachstum und eine präzisere Grenzflächenkontrolle erreicht werden, wodurch die Leistung verbessert wirdEpitaxiefilme.

Reduzierung der Verunreinigung:Die hohe Reinheit von SiC-Beschichtungen kann die Verunreinigung durch Graphitsubstrate minimieren und so sicherstellen, dass diegewachsene epitaktische Filmedie erforderliche hohe Reinheit aufweisen. Dies ist für die Leistung und Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen von entscheidender Bedeutung.

Abbildung 5: Der SemicorexSiC-beschichteter Graphitrezeptorals Waferträger in der Epitaxie

In Summe,SiC-beschichtete Graphitsubstratesorgen für eine bessere Basisunterstützung, thermische Stabilität und Grenzflächenkontrolle in MOCVD-Prozessen und fördern so das Wachstum und die Herstellung hochwertiger ProdukteEpitaxiefilme.

6. Fazit und Ausblick

Derzeit widmen sich Forschungseinrichtungen in China der Verbesserung der Produktionsprozesse vonSiliziumkarbidbeschichtete GraphitsuszeptorenDadurch wird die Reinheit und Gleichmäßigkeit der Beschichtung verbessert, die Qualität und Lebensdauer von SiC-Beschichtungen erhöht und gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt. Gleichzeitig erforschen sie Möglichkeiten, intelligente Herstellungsprozesse für mit Siliziumkarbid beschichtete Graphitsubstrate zu erreichen, um die Produktionseffizienz und Produktqualität zu verbessern. Die Industrie investiert zunehmend in die IndustrialisierungSiliziumkarbidbeschichtete Graphitsubstrate, Verbesserung des Produktionsumfangs und der Produktqualität, um den Marktanforderungen gerecht zu werden. In jüngster Zeit erforschen Forschungseinrichtungen und Industrien aktiv neue Beschichtungstechnologien, beispielsweise die Anwendung vonTaC-Beschichtungen auf Graphitsuszeptoren, um die Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.**

Semicorex bietet hochwertige Komponenten für CVD-SiC-beschichtete Materialien. Wenn Sie Fragen haben oder zusätzliche Informationen benötigen, zögern Sie bitte nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen.

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