Geschichte von Siliziumkarbid und Anwendung von Siliziumkarbid-Beschichtungen

Die Entwicklung und Anwendungen von Siliziumkarbid (SiC)

1. Ein Jahrhundert der Innovation in SiC
Die Reise von Siliziumkarbid (SiC) begann im Jahr 1893, als Edward Goodrich Acheson den Acheson-Ofen entwarf, bei dem Kohlenstoffmaterialien verwendet wurden, um die industrielle Produktion von SiC durch elektrisches Erhitzen von Quarz und Kohlenstoff zu erreichen. Diese Erfindung markierte den Beginn der Industrialisierung von SiC und brachte Acheson ein Patent ein.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde SiC aufgrund seiner bemerkenswerten Härte und Verschleißfestigkeit hauptsächlich als Schleifmittel verwendet. Mitte des 20. Jahrhunderts eröffneten Fortschritte in der chemischen Gasphasenabscheidungstechnologie (CVD) neue Möglichkeiten. Forscher der Bell Labs unter der Leitung von Rustum Roy legten den Grundstein für CVD-SiC und erzielten die ersten SiC-Beschichtungen auf Graphitoberflächen.

In den 1970er Jahren kam es zu einem großen Durchbruch, als die Union Carbide Corporation SiC-beschichteten Graphit beim epitaktischen Wachstum von Galliumnitrid (GaN)-Halbleitermaterialien einsetzte. Dieser Fortschritt spielte eine entscheidende Rolle bei leistungsstarken GaN-basierten LEDs und Lasern. Im Laufe der Jahrzehnte haben sich SiC-Beschichtungen dank verbesserter Herstellungstechniken über die Halbleiterindustrie hinaus auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Leistungselektronik ausgeweitet.

Heutzutage verbessern Innovationen wie thermisches Spritzen, PVD und Nanotechnologie die Leistung und Anwendung von SiC-Beschichtungen weiter und zeigen ihr Potenzial in hochmodernen Bereichen.

2. Verständnis der Kristallstrukturen und Verwendungsmöglichkeiten von SiC
SiC weist über 200 Polytypen auf, die nach ihrer Atomanordnung in kubische (3C), hexagonale (H) und rhomboedrische (R) Strukturen eingeteilt werden. Unter diesen werden 4H-SiC und 6H-SiC häufig in Hochleistungs- bzw. optoelektronischen Geräten verwendet, während β-SiC wegen seiner überlegenen Wärmeleitfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt wird.

β-SiCseinzigartige Eigenschaften, wie z. B. eine Wärmeleitfähigkeit von120-200 W/m·Kund ein dem Graphit sehr ähnlicher Wärmeausdehnungskoeffizient machen es zum bevorzugten Material für Oberflächenbeschichtungen in Wafer-Epitaxie-Geräten.

3. SiC-Beschichtungen: Eigenschaften und Herstellungstechniken
SiC-Beschichtungen, typischerweise β-SiC, werden häufig verwendet, um Oberflächeneigenschaften wie Härte, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität zu verbessern. Zu den gängigen Zubereitungsmethoden gehören:

• Chemische Gasphasenabscheidung (CVD):Bietet hochwertige Beschichtungen mit hervorragender Haftung und Gleichmäßigkeit, ideal für große und komplexe Untergründe.
• Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD):Bietet eine präzise Kontrolle über die Beschichtungszusammensetzung und eignet sich für hochpräzise Anwendungen.
• Sprühtechniken, elektrochemische Abscheidung und Schlammbeschichtung: Dienen als kostengünstige Alternative für bestimmte Anwendungen, allerdings mit unterschiedlichen Einschränkungen in Bezug auf Haftung und Gleichmäßigkeit.

Jede Methode wird basierend auf den Eigenschaften des Untergrunds und den Anwendungsanforderungen ausgewählt.

4. SiC-beschichtete Graphitsuszeptoren im MOCVD
SiC-beschichtete Graphitsuszeptoren sind bei der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), einem Schlüsselprozess in der Herstellung von Halbleitern und optoelektronischen Materialien, unverzichtbar.

Diese Suszeptoren bieten eine robuste Unterstützung für das epitaktische Filmwachstum, sorgen für thermische Stabilität und reduzieren die Verunreinigung durch Verunreinigungen. Die SiC-Beschichtung verbessert außerdem die Oxidationsbeständigkeit, die Oberflächeneigenschaften und die Schnittstellenqualität und ermöglicht so eine präzise Kontrolle während des Filmwachstums.

5. Auf dem Weg in die Zukunft
In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Produktionsprozesse von SiC-beschichteten Graphitsubstraten zu verbessern. Forscher konzentrieren sich darauf, die Reinheit, Gleichmäßigkeit und Lebensdauer der Beschichtung zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Darüber hinaus ist die Erforschung innovativer Materialien wie zTantalcarbid (TaC)-Beschichtungenbietet potenzielle Verbesserungen der Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit und ebnet den Weg für Lösungen der nächsten Generation.

Da die Nachfrage nach SiC-beschichteten Graphitsuszeptoren weiter wächst, werden Fortschritte in der intelligenten Fertigung und der Produktion im industriellen Maßstab die Entwicklung hochwertiger Produkte weiter unterstützen, um den sich entwickelnden Anforderungen der Halbleiter- und Optoelektronikindustrie gerecht zu werden.