Sơ lược về lịch sử của cacbua silic và các ứng dụng của lớp phủ cacbua silic

1. Phát triển SiC

Năm 1893, Edward Goodrich Acheson, người phát hiện ra SiC, đã thiết kế một lò điện trở sử dụng vật liệu carbon—được gọi là lò Acheson—để bắt đầu sản xuất công nghiệp cacbua silic bằng cách nung nóng hỗn hợp thạch anh và carbon bằng điện. Sau đó ông đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phát minh này.

Từ đầu đến giữa thế kỷ 20, do độ cứng đặc biệt và khả năng chống mài mòn, cacbua silic chủ yếu được sử dụng làm chất mài mòn trong các dụng cụ mài và cắt.

Trong những năm 1950 và 1960, với sự ra đời củaCông nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD), các nhà khoa học như Rustum Roy tại Bell Labs ở Hoa Kỳ đã đi tiên phong trong nghiên cứu về công nghệ CVD SiC. Họ đã phát triển các quy trình lắng đọng hơi SiC và tiến hành khám phá sơ bộ về các đặc tính và ứng dụng của nó, đạt được sự lắng đọng đầu tiên củaLớp phủ SiC trên bề mặt than chì. Công trình này đã đặt nền tảng quan trọng cho việc chuẩn bị CVD cho vật liệu phủ SiC.

Năm 1963, các nhà nghiên cứu Howard Wachtel và Joseph Wells của Bell Labs thành lập CVD Incorporated, tập trung vào phát triển công nghệ lắng đọng hơi hóa học cho SiC và các vật liệu phủ gốm khác. Năm 1974, họ đạt được sản lượng công nghiệp đầu tiên làsản phẩm than chì phủ silicon cacbua. Cột mốc quan trọng này đánh dấu sự tiến bộ đáng kể trong công nghệ phủ silicon cacbua trên bề mặt than chì, mở đường cho ứng dụng rộng rãi của chúng trong các lĩnh vực như chất bán dẫn, quang học và hàng không vũ trụ.

Vào những năm 1970, các nhà nghiên cứu tại Union Carbide Corporation (nay là công ty con thuộc sở hữu hoàn toàn của Dow Chemical) lần đầu tiên áp dụngđế than chì phủ silicon cacbuatrong sự tăng trưởng epiticular của vật liệu bán dẫn như gali nitrit (GaN). Công nghệ này rất quan trọng để sản xuất hiệu suất caoĐèn LED dựa trên GaN(điốt phát sáng) và laser, đặt nền móng cho các bước tiếp theocông nghệ epitaxy cacbua silicvà trở thành cột mốc quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu cacbua silic vào lĩnh vực bán dẫn.

Từ những năm 1980 đến đầu thế kỷ 21, những tiến bộ trong công nghệ sản xuất đã mở rộng các ứng dụng công nghiệp và thương mại của lớp phủ silicon cacbua từ hàng không vũ trụ đến ô tô, điện tử công suất, thiết bị bán dẫn và các thành phần công nghiệp khác nhau như lớp phủ chống ăn mòn.

Từ đầu thế kỷ 21 đến nay, sự phát triển của phun nhiệt, PVD và công nghệ nano đã đưa ra các phương pháp chuẩn bị lớp phủ mới. Các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá và phát triển lớp phủ cacbua silic có kích thước nano để nâng cao hơn nữa hiệu suất vật liệu.

Tóm lại, công nghệ chuẩn bị choLớp phủ silicon cacbua CVDđã chuyển đổi từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang ứng dụng công nghiệp trong vài thập kỷ qua, đạt được những tiến bộ và đột phá liên tục.

2. Cấu trúc tinh thể SiC và các lĩnh vực ứng dụng

Cacbua silic có hơn 200 polytype, chủ yếu được phân loại thành ba nhóm chính dựa trên sự sắp xếp xếp chồng của các nguyên tử carbon và silicon: khối (3C), lục giác (H) và hình thoi ®. Các ví dụ phổ biến bao gồm 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC và 15R-SiC. Chúng có thể được chia thành hai loại chính:

Hình 1: Cấu trúc tinh thể của cacbua silic

α-SiC:Đây là cấu trúc ổn định ở nhiệt độ cao và là loại cấu trúc ban đầu được tìm thấy trong tự nhiên.

β-SiC:Đây là cấu trúc ổn định ở nhiệt độ thấp, có thể được hình thành bằng cách cho silicon và carbon phản ứng ở nhiệt độ khoảng 1450°C. β-SiC có thể biến đổi thành α-SiC ở nhiệt độ từ 2100-2400°C.

Các polytype SiC khác nhau có cách sử dụng khác nhau. Ví dụ, 4H-SiC trong α-SiC phù hợp để sản xuất các thiết bị có công suất cao, trong khi 6H-SiC là loại ổn định nhất và được sử dụng trong các thiết bị quang điện tử. β-SiC, ngoài việc được sử dụng trong các thiết bị RF, còn đóng vai trò quan trọng như một màng mỏng và vật liệu phủ trong môi trường nhiệt độ cao, độ mài mòn cao và tính ăn mòn cao, mang lại chức năng bảo vệ. β-SiC có một số ưu điểm so với α-SiC:

(1)Độ dẫn nhiệt của nó nằm trong khoảng 120-200 W/m·K, cao hơn đáng kể so với 100-140 W/m·K của α-SiC.

(2) β-SiC thể hiện độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn.

(3) Về khả năng chống ăn mòn, trong khi α-SiC hoạt động tốt trong môi trường không oxy hóa và có tính axit nhẹ, β-SiC vẫn ổn định trong điều kiện oxy hóa mạnh hơn và kiềm mạnh hơn, chứng tỏ khả năng chống ăn mòn vượt trội của nó trên nhiều môi trường hóa học hơn .

Ngoài ra, hệ số giãn nở nhiệt của β-SiC gần giống với hệ số giãn nở nhiệt của than chì, khiến nó trở thành vật liệu được ưu tiên làm lớp phủ bề mặt trên nền than chì trong thiết bị epit Wafer do các đặc tính kết hợp này.

3. Lớp phủ SiC và phương pháp chuẩn bị

(1) Lớp phủ SiC

Lớp phủ SiC là các màng mỏng được hình thành từ β-SiC, được áp dụng cho các bề mặt nền thông qua các quá trình phủ hoặc lắng đọng khác nhau. Những lớp phủ này thường được sử dụng để tăng cường độ cứng, chống mài mòn, chống ăn mòn, chống oxy hóa và hiệu suất nhiệt độ cao. Lớp phủ cacbua silic có ứng dụng rộng rãi trên nhiều chất nền khác nhau như gốm sứ, kim loại, thủy tinh và nhựa, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô, điện tử và các lĩnh vực khác.

Hình 2: Cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ SiC trên bề mặt than chì

(2)  Phương pháp chuẩn bị

Các phương pháp chính để chuẩn bị lớp phủ SiC bao gồm lắng đọng hơi hóa học (CVD), lắng đọng hơi vật lý (PVD), kỹ thuật phun, lắng đọng điện hóa và thiêu kết lớp phủ bùn.

Lắng đọng hơi hóa học (CVD):

CVD là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị lớp phủ silicon cacbua. Trong quá trình CVD, các khí tiền chất chứa silicon và carbon được đưa vào buồng phản ứng, nơi chúng phân hủy ở nhiệt độ cao để tạo ra các nguyên tử silicon và carbon. Những nguyên tử này hấp phụ trên bề mặt chất nền và phản ứng tạo thành lớp phủ silicon cacbua. Bằng cách kiểm soát các thông số quy trình chính như tốc độ dòng khí, nhiệt độ lắng đọng, áp suất lắng đọng và thời gian, độ dày, phép cân bằng hóa học, kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và hướng của lớp phủ có thể được điều chỉnh chính xác để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Một ưu điểm khác của phương pháp này là sự phù hợp của nó khi phủ các chất nền lớn và có hình dạng phức tạp với khả năng bám dính và làm đầy tốt. Tuy nhiên, tiền chất và sản phẩm phụ được sử dụng trong quá trình CVD thường dễ cháy và ăn mòn, khiến quá trình sản xuất trở nên nguy hiểm. Ngoài ra, tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thô tương đối thấp và chi phí chuẩn bị cao.

Lắng đọng hơi vật lý (PVD):

PVD liên quan đến việc sử dụng các phương pháp vật lý như bay hơi nhiệt hoặc phún xạ magnetron trong chân không cao để làm bay hơi các vật liệu cacbua silic có độ tinh khiết cao và ngưng tụ chúng trên bề mặt đế, tạo thành một màng mỏng. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác độ dày và thành phần của lớp phủ, tạo ra lớp phủ cacbua silic đậm đặc thích hợp cho các ứng dụng có độ chính xác cao như lớp phủ dụng cụ cắt, lớp phủ gốm, lớp phủ quang học và lớp phủ rào cản nhiệt. Tuy nhiên, việc đạt được độ che phủ đồng đều trên các bộ phận có hình dạng phức tạp, đặc biệt là ở các khu vực lõm hoặc bóng mờ, là một thách thức. Ngoài ra, độ bám dính giữa lớp phủ và chất nền có thể không đủ. Thiết bị PVD đắt tiền do cần có hệ thống chân không cao và thiết bị điều khiển chính xác đắt tiền. Hơn nữa, tốc độ lắng đọng chậm, dẫn đến hiệu quả sản xuất thấp, không phù hợp cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

Kỹ thuật phun:

Điều này liên quan đến việc phun vật liệu lỏng lên bề mặt nền và xử lý chúng ở nhiệt độ cụ thể để tạo thành lớp phủ. Phương pháp này đơn giản và tiết kiệm chi phí, nhưng lớp phủ thu được thường có độ bám dính yếu với chất nền, độ đồng đều kém hơn, lớp phủ mỏng hơn và khả năng chống oxy hóa thấp hơn, thường đòi hỏi các phương pháp bổ sung để nâng cao hiệu suất.

Lắng đọng điện hóa:

Kỹ thuật này sử dụng các phản ứng điện hóa để lắng đọng cacbua silic từ dung dịch lên bề mặt chất nền. Bằng cách kiểm soát thế điện cực và thành phần của dung dịch tiền chất, có thể đạt được sự phát triển lớp phủ đồng đều. Lớp phủ cacbua silic được điều chế bằng phương pháp này có thể áp dụng trong các lĩnh vực cụ thể như cảm biến hóa học/sinh học, thiết bị quang điện, vật liệu điện cực cho pin lithium-ion và lớp phủ chống ăn mòn.

Lớp phủ bùn và thiêu kết:

Phương pháp này bao gồm việc trộn vật liệu phủ với chất kết dính để tạo ra hỗn hợp sệt được phủ đồng đều lên bề mặt nền. Sau khi sấy khô, phôi được phủ được thiêu kết ở nhiệt độ cao trong môi trường trơ ​​để tạo thành lớp phủ mong muốn. Ưu điểm của nó bao gồm vận hành đơn giản, dễ dàng và độ dày lớp phủ có thể kiểm soát được, nhưng độ bền liên kết giữa lớp phủ và chất nền thường yếu hơn. Các lớp phủ cũng có khả năng chống sốc nhiệt kém, độ đồng đều thấp hơn và quy trình không nhất quán, khiến chúng không phù hợp để sản xuất hàng loạt.

Nhìn chung, việc lựa chọn phương pháp chuẩn bị lớp phủ cacbua silic thích hợp đòi hỏi phải xem xét toàn diện các yêu cầu về hiệu suất, đặc tính bề mặt và chi phí dựa trên tình huống ứng dụng.

4. Chất nhạy cảm than chì phủ SiC

Chất nhạy cảm với than chì được phủ SiC rất quan trọng trongQuá trình lắng đọng hơi hóa chất hữu cơ kim loại (MOCVD), một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để chuẩn bị màng mỏng và lớp phủ trong lĩnh vực bán dẫn, quang điện tử và khoa học vật liệu khác.

Hình 3

5. Chức năng của chất nền than chì phủ SiC trong thiết bị MOCVD

Chất nền than chì được phủ SiC rất quan trọng trong quá trình lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD), một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để chuẩn bị màng mỏng và lớp phủ trong lĩnh vực bán dẫn, quang điện tử và khoa học vật liệu khác.

Hình 4:  Thiết bị CVD Semicorex

Nhà cung cấp dịch vụ hỗ trợ:Trong MOCVD, vật liệu bán dẫn có thể phát triển từng lớp trên bề mặt đế wafer, tạo thành các màng mỏng với các đặc tính và cấu trúc cụ thể.Chất mang than chì được phủ SiChoạt động như một nhà cung cấp dịch vụ hỗ trợ, cung cấp một nền tảng mạnh mẽ và ổn định choepitaxycủa màng mỏng bán dẫn. Độ ổn định nhiệt tuyệt vời và độ trơ hóa học tuyệt vời của lớp phủ SiC duy trì độ ổn định của chất nền trong môi trường nhiệt độ cao, giảm phản ứng với khí ăn mòn và đảm bảo độ tinh khiết cao cũng như các đặc tính và cấu trúc nhất quán của màng bán dẫn phát triển. Các ví dụ bao gồm chất nền than chì được phủ SiC để tăng trưởng epiticular GaN trong thiết bị MOCVD, chất nền than chì được phủ SiC để tăng trưởng epiticular silicon đơn tinh thể (chất nền phẳng, chất nền tròn, chất nền ba chiều) và chất nền than chì được phủ SiC choTăng trưởng epiticular SiC.

Độ ổn định nhiệt và chống oxy hóa:Quá trình MOCVD có thể liên quan đến các phản ứng ở nhiệt độ cao và khí oxy hóa. Lớp phủ SiC cung cấp thêm tính ổn định nhiệt và chống oxy hóa cho chất nền than chì, ngăn ngừa hư hỏng hoặc oxy hóa trong môi trường nhiệt độ cao. Điều này rất quan trọng để kiểm soát và duy trì tính nhất quán của sự phát triển màng mỏng.

Kiểm soát giao diện vật liệu và thuộc tính bề mặt:Lớp phủ SiC có thể ảnh hưởng đến tương tác giữa màng và chất nền, ảnh hưởng đến chế độ tăng trưởng, kết hợp mạng và chất lượng giao diện. Bằng cách điều chỉnh các đặc tính của lớp phủ SiC, có thể đạt được sự tăng trưởng vật liệu và kiểm soát giao diện chính xác hơn, cải thiện hiệu suất củaphim epiticular.

Giảm ô nhiễm tạp chất:Độ tinh khiết cao của lớp phủ SiC có thể giảm thiểu ô nhiễm tạp chất từ ​​chất nền than chì, đảm bảo rằngmàng epiticular phát triểncó độ tinh khiết cao theo yêu cầu. Điều này rất quan trọng đối với hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị bán dẫn.

Hình 5: SemicorexThụ thể than chì phủ SiCvới tư cách là người vận chuyển bánh wafer trong Epitaxy

Tóm tắt,Chất nền than chì phủ SiCcung cấp hỗ trợ cơ sở tốt hơn, ổn định nhiệt và kiểm soát giao diện trong các quy trình MOCVD, thúc đẩy sự phát triển và chuẩn bị chất lượng caophim epiticular.

6. Kết luận và triển vọng

Hiện nay, các tổ chức nghiên cứu ở Trung Quốc đang tập trung cải tiến quy trình sản xuấtchất nhạy cảm than chì được phủ cacbua silic, nâng cao độ tinh khiết và tính đồng nhất của lớp phủ, đồng thời tăng chất lượng và tuổi thọ của lớp phủ SiC đồng thời giảm chi phí sản xuất. Đồng thời, họ đang tìm cách đạt được quy trình sản xuất thông minh cho chất nền than chì phủ cacbua silic để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Ngành công nghiệp này đang tăng cường đầu tư vào công nghiệp hóachất nền than chì phủ silicon cacbuanâng cao quy mô sản xuất, chất lượng sản phẩm đáp ứng nhu cầu thị trường. Gần đây, các tổ chức nghiên cứu và các ngành công nghiệp đang tích cực khám phá các công nghệ phủ mới, chẳng hạn như ứng dụngLớp phủ TaC trên chất nhạy cảm với than chì, để cải thiện tính dẫn nhiệt và chống ăn mòn.**

Semicorex cung cấp các thành phần chất lượng cao cho vật liệu được phủ CVD SiC. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc hoặc cần thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi.

Số điện thoại liên hệ +86-13567891907

Email: sales@semicorex.com