Un bref historique du carbure de silicium et des applications des revêtements en carbure de silicium

1. Développement du SiC

En 1893, Edward Goodrich Acheson, le découvreur du SiC, a conçu un four à résistance utilisant des matériaux carbonés, connu sous le nom de four Acheson, pour commencer la production industrielle de carbure de silicium en chauffant électriquement un mélange de quartz et de carbone. Il a ensuite déposé un brevet pour cette invention.

Du début au milieu du 20e siècle, en raison de sa dureté et de sa résistance à l'usure exceptionnelles, le carbure de silicium était principalement utilisé comme abrasif dans les outils de meulage et de coupe.

Dans les années 1950 et 1960, avec l'avènement detechnologie de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), des scientifiques comme Rustum Roy des Bell Labs aux États-Unis ont été les pionniers de la recherche sur la technologie CVD SiC. Ils ont développé des procédés de dépôt en phase vapeur de SiC et mené des explorations préliminaires de ses propriétés et applications, réalisant ainsi le premier dépôt deRevêtements SiC sur surfaces en graphite. Ce travail a posé une base cruciale pour la préparation CVD de matériaux de revêtement SiC.

En 1963, les chercheurs des Bell Labs, Howard Wachtel et Joseph Wells, ont fondé CVD Incorporated, en se concentrant sur le développement de technologies de dépôt chimique en phase vapeur pour le SiC et d'autres matériaux de revêtement céramique. En 1974, ils réalisent la première production industrielle deproduits en graphite recouverts de carbure de silicium. Cette étape marquante a marqué un progrès significatif dans la technologie des revêtements de carbure de silicium sur les surfaces en graphite, ouvrant la voie à leur application généralisée dans des domaines tels que les semi-conducteurs, l'optique et l'aérospatiale.

Dans les années 1970, des chercheurs de l'Union Carbide Corporation (aujourd'hui une filiale en propriété exclusive de Dow Chemical) ont appliqué pour la première foisbases en graphite recouvertes de carbure de siliciumdans la croissance épitaxiale de matériaux semi-conducteurs tels que le nitrure de gallium (GaN). Cette technologie était cruciale pour la fabrication de hautes performancesLED basées sur GaN(diodes électroluminescentes) et lasers, jetant ainsi les bases des futurestechnologie d'épitaxie au carbure de siliciumet devenir une étape importante dans l'application des matériaux en carbure de silicium dans le domaine des semi-conducteurs.

Des années 1980 au début du XXIe siècle, les progrès des technologies de fabrication ont élargi les applications industrielles et commerciales des revêtements en carbure de silicium, de l'aérospatiale à l'automobile, en passant par l'électronique de puissance, les équipements semi-conducteurs et divers composants industriels comme revêtements anticorrosion.

Depuis le début du 21e siècle jusqu'à aujourd'hui, le développement de la projection thermique, du PVD et de la nanotechnologie a introduit de nouvelles méthodes de préparation des revêtements. Les chercheurs ont commencé à explorer et à développer des revêtements en carbure de silicium à l’échelle nanométrique pour améliorer encore les performances des matériaux.

En résumé, la technologie de préparation pourRevêtements CVD en carbure de siliciumest passée de la recherche en laboratoire aux applications industrielles au cours des dernières décennies, réalisant des progrès et des percées continus.

2. Structure cristalline SiC et domaines d'application

Le carbure de silicium compte plus de 200 polytypes, principalement classés en trois groupes principaux en fonction de la disposition d'empilement des atomes de carbone et de silicium : cubique (3C), hexagonal (H) et rhomboédrique ®. Les exemples courants incluent le 2H-SiC, le 3C-SiC, le 4H-SiC, le 6H-SiC et le 15R-SiC. Ceux-ci peuvent être globalement divisés en deux grands types :

Figure 1 : Structure cristalline du carbure de silicium

α-SiC :Il s’agit de la structure stable à haute température et du type de structure original trouvé dans la nature.

β-SiC :Il s’agit d’une structure stable à basse température, qui peut être formée en faisant réagir du silicium et du carbone à environ 1 450 °C. Le β-SiC peut se transformer en α-SiC à des températures comprises entre 2 100 et 2 400 °C.

Différents polytypes SiC ont des utilisations différentes. Par exemple, le 4H-SiC dans l’α-SiC convient à la fabrication de dispositifs haute puissance, tandis que le 6H-SiC est le type le plus stable et est utilisé dans les dispositifs optoélectroniques. Le β-SiC, en plus d'être utilisé dans les dispositifs RF, est également important en tant que film mince et matériau de revêtement dans des environnements à haute température, à forte usure et hautement corrosifs, assurant des fonctions de protection. Le β-SiC présente plusieurs avantages par rapport à l'α-SiC :

(1)Sa conductivité thermique est comprise entre 120 et 200 W/m·K, nettement supérieure aux 100 et 140 W/m·K de l'α-SiC.

(2) Le β-SiC présente une dureté et une résistance à l’usure plus élevées.

(3) En termes de résistance à la corrosion, alors que l'α-SiC fonctionne bien dans des environnements non oxydants et légèrement acides, le β-SiC reste stable dans des conditions oxydantes et fortement alcalines plus agressives, démontrant sa résistance supérieure à la corrosion dans une gamme plus large d'environnements chimiques. .

De plus, le coefficient de dilatation thermique du β-SiC correspond étroitement à celui du graphite, ce qui en fait le matériau préféré pour les revêtements de surface sur bases de graphite dans les équipements d'épitaxie de tranches en raison de ces propriétés combinées.

3. Revêtements SiC et méthodes de préparation

(1) Revêtements SiC

Les revêtements SiC sont des films minces formés à partir de β-SiC, appliqués sur les surfaces du substrat par divers processus de revêtement ou de dépôt. Ces revêtements sont généralement utilisés pour améliorer la dureté, la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion, la résistance à l'oxydation et les performances à haute température. Les revêtements en carbure de silicium ont de nombreuses applications sur divers substrats tels que la céramique, les métaux, le verre et les plastiques, et sont largement utilisés dans l'aérospatiale, la fabrication automobile, l'électronique et d'autres domaines.

Figure 2 : Microstructure en coupe transversale du revêtement SiC sur une surface en graphite

(2)  Méthodes de préparation

Les principales méthodes de préparation des revêtements SiC comprennent le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt physique en phase vapeur (PVD), les techniques de pulvérisation, le dépôt électrochimique et le frittage de revêtement en suspension.

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :

Le CVD est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour préparer des revêtements en carbure de silicium. Au cours du processus CVD, des gaz précurseurs contenant du silicium et du carbone sont introduits dans une chambre de réaction, où ils se décomposent à haute température pour produire des atomes de silicium et de carbone. Ces atomes s'adsorbent sur la surface du substrat et réagissent pour former le revêtement de carbure de silicium. En contrôlant les paramètres clés du processus tels que le débit de gaz, la température de dépôt, la pression de dépôt et la durée, l'épaisseur, la stœchiométrie, la taille des grains, la structure cristalline et l'orientation du revêtement peuvent être adaptées avec précision pour répondre aux exigences spécifiques des applications. Un autre avantage de cette méthode est son aptitude au revêtement de substrats de grande taille et de forme complexe avec de bonnes capacités d'adhérence et de remplissage. Cependant, les précurseurs et sous-produits utilisés dans le processus CVD sont souvent inflammables et corrosifs, ce qui rend la production dangereuse. De plus, le taux d’utilisation des matières premières est relativement faible et les coûts de préparation sont élevés.

Dépôt physique en phase vapeur (PVD) :

Le PVD implique l'utilisation de méthodes physiques telles que l'évaporation thermique ou la pulvérisation magnétron sous vide poussé pour vaporiser des matériaux en carbure de silicium de haute pureté et les condenser sur la surface du substrat, formant ainsi un film mince. Cette méthode permet un contrôle précis de l’épaisseur et de la composition du revêtement, produisant des revêtements denses en carbure de silicium adaptés aux applications de haute précision telles que les revêtements d’outils de coupe, les revêtements céramiques, les revêtements optiques et les revêtements de barrière thermique. Cependant, il est difficile d'obtenir une couverture uniforme sur des composants de forme complexe, en particulier dans les renfoncements ou les zones ombragées. De plus, l'adhérence entre le revêtement et le substrat peut être insuffisante. L'équipement PVD est coûteux en raison de la nécessité de systèmes à vide poussé et d'équipements de contrôle de précision coûteux. De plus, le taux de dépôt est lent, ce qui entraîne une faible efficacité de production, ce qui le rend impropre à une production industrielle à grande échelle.

Technique de pulvérisation :

Cela implique de pulvériser des matériaux liquides sur la surface du substrat et de les durcir à des températures spécifiques pour former un revêtement. Le procédé est simple et économique, mais les revêtements obtenus présentent généralement une faible adhérence au substrat, une moins bonne uniformité, des revêtements plus fins et une résistance à l'oxydation plus faible, ce qui nécessite souvent des méthodes supplémentaires pour améliorer les performances.

Dépôt électrochimique :

Cette technique utilise des réactions électrochimiques pour déposer du carbure de silicium à partir d'une solution sur la surface du substrat. En contrôlant le potentiel de l'électrode et la composition de la solution précurseur, une croissance uniforme du revêtement peut être obtenue. Les revêtements de carbure de silicium préparés par cette méthode sont applicables dans des domaines spécifiques tels que les capteurs chimiques/biologiques, les dispositifs photovoltaïques, les matériaux d'électrodes pour batteries lithium-ion et les revêtements résistants à la corrosion.

Revêtement en boue et frittage :

Cette méthode consiste à mélanger le matériau de revêtement avec des liants pour créer une suspension appliquée uniformément sur la surface du substrat. Après séchage, la pièce revêtue est frittée à haute température dans une atmosphère inerte pour former le revêtement souhaité. Ses avantages incluent une opération simple et facile et une épaisseur de revêtement contrôlable, mais la force de liaison entre le revêtement et le substrat est souvent plus faible. Les revêtements présentent également une faible résistance aux chocs thermiques, une moindre uniformité et des processus incohérents, ce qui les rend impropres à la production de masse.

Dans l'ensemble, la sélection de la méthode appropriée de préparation du revêtement en carbure de silicium nécessite une prise en compte approfondie des exigences de performances, des caractéristiques du substrat et des coûts en fonction du scénario d'application.

4. Suscepteurs en graphite revêtus de SiC

Les suscepteurs en graphite recouverts de SiC sont cruciaux dansProcédés de dépôt chimique en phase vapeur de métaux organiques (MOCVD), une technique largement utilisée pour préparer des films et des revêtements minces dans les domaines des semi-conducteurs, de l'optoélectronique et d'autres sciences des matériaux.

figure 3

5. Fonctions des substrats de graphite revêtus de SiC dans les équipements MOCVD

Les substrats en graphite recouverts de SiC sont essentiels dans les processus de dépôt chimique en phase vapeur de métaux organiques (MOCVD), une technique largement utilisée pour préparer des films et des revêtements minces dans les domaines des semi-conducteurs, de l'optoélectronique et d'autres sciences des matériaux.

Figure 4 : L'équipement CVD Semicorex

Transporteur prenant en charge :Dans le MOCVD, les matériaux semi-conducteurs peuvent croître couche par couche sur la surface du substrat de la tranche, formant des films minces dotés de propriétés et de structures spécifiques.Le support en graphite recouvert de SiCagit comme un support de support, fournissant une plate-forme robuste et stable pour leépitaxiede couches minces semi-conductrices. L'excellente stabilité thermique et l'inertie chimique du revêtement SiC maintiennent la stabilité du substrat dans des environnements à haute température, réduisant ainsi les réactions avec les gaz corrosifs et garantissant la haute pureté et les propriétés et structures cohérentes des films semi-conducteurs développés. Les exemples incluent les substrats en graphite revêtus de SiC pour la croissance épitaxiale de GaN dans les équipements MOCVD, les substrats en graphite revêtus de SiC pour la croissance épitaxiale de silicium monocristallin (substrats plats, substrats ronds, substrats tridimensionnels) et les substrats en graphite revêtus de SiC pourCroissance épitaxiale SiC.

Stabilité thermique et résistance à l'oxydation :Le processus MOCVD peut impliquer des réactions à haute température et des gaz oxydants. Le revêtement SiC offre une stabilité thermique supplémentaire et une protection contre l'oxydation au substrat en graphite, empêchant ainsi la défaillance ou l'oxydation dans des environnements à haute température. Ceci est crucial pour contrôler et maintenir la cohérence de la croissance des couches minces.

Contrôle de l'interface matérielle et des propriétés de surface :Le revêtement SiC peut influencer les interactions entre le film et le substrat, affectant les modes de croissance, l'adaptation du réseau et la qualité de l'interface. En ajustant les propriétés du revêtement SiC, une croissance du matériau et un contrôle d'interface plus précis peuvent être obtenus, améliorant ainsi les performances defilms épitaxiaux.

Réduire la contamination par les impuretés :La haute pureté des revêtements SiC peut minimiser la contamination par les impuretés des substrats en graphite, garantissant ainsi que lefilms épitaxiaux cultivésavoir la haute pureté requise. Ceci est vital pour les performances et la fiabilité des dispositifs semi-conducteurs.

Figure 5 : Le SemicorexRécepteur en graphite recouvert de SiCcomme support de plaquette en épitaxie

En résumé,Substrats en graphite recouverts de SiCfournir un meilleur support de base, une meilleure stabilité thermique et un meilleur contrôle des interfaces dans les processus MOCVD, favorisant ainsi la croissance et la préparation de produits de haute qualitéfilms épitaxiaux.

6. Conclusion et perspectives

Actuellement, les instituts de recherche en Chine se consacrent à l'amélioration des processus de production desuscepteurs en graphite recouverts de carbure de silicium, améliorant la pureté et l'uniformité du revêtement, et augmentant la qualité et la durée de vie des revêtements SiC tout en réduisant les coûts de production. Simultanément, ils explorent les moyens de mettre en place des processus de fabrication intelligents pour les substrats en graphite recouverts de carbure de silicium afin d'améliorer l'efficacité de la production et la qualité des produits. L'industrie augmente ses investissements dans l'industrialisation desubstrats de graphite recouverts de carbure de silicium, améliorant l'échelle de production et la qualité des produits pour répondre aux demandes du marché. Récemment, les instituts de recherche et les industries explorent activement de nouvelles technologies de revêtement, telles que l'application deRevêtements TaC sur suscepteurs en graphite, pour améliorer la conductivité thermique et la résistance à la corrosion.**

Semicorex propose des composants de haute qualité pour les matériaux à revêtement CVD SiC. Si vous avez des questions ou avez besoin de détails supplémentaires, n'hésitez pas à nous contacter.

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