Lo sviluppo e le applicazioni del carburo di silicio (SiC)
1. Un secolo di innovazione nel SiC
Il viaggio del carburo di silicio (SiC) iniziò nel 1893, quando Edward Goodrich Acheson progettò il forno Acheson, utilizzando materiali di carbonio per ottenere la produzione industriale di SiC attraverso il riscaldamento elettrico di quarzo e carbonio. Questa invenzione segnò l'inizio dell'industrializzazione del SiC e valse ad Acheson un brevetto.
All'inizio del XX secolo, il SiC veniva utilizzato principalmente come abrasivo per la sua notevole durezza e resistenza all'usura. Entro la metà del XX secolo, i progressi nella tecnologia di deposizione chimica in fase vapore (CVD) hanno sbloccato nuove possibilità. I ricercatori dei Bell Labs, guidati da Rustum Roy, hanno gettato le basi per CVD SiC, ottenendo i primi rivestimenti SiC su superfici di grafite.
Gli anni '70 videro un importante passo avanti quando la Union Carbide Corporation applicò la grafite rivestita di SiC nella crescita epitassiale dei materiali semiconduttori al nitruro di gallio (GaN). Questo progresso ha svolto un ruolo fondamentale nei LED e nei laser basati su GaN ad alte prestazioni. Nel corso dei decenni, i rivestimenti SiC si sono estesi oltre i semiconduttori fino alle applicazioni nel settore aerospaziale, automobilistico e dell’elettronica di potenza, grazie ai miglioramenti nelle tecniche di produzione.
Oggi, innovazioni come la spruzzatura termica, il PVD e la nanotecnologia stanno migliorando ulteriormente le prestazioni e l’applicazione dei rivestimenti SiC, dimostrandone il potenziale in campi all’avanguardia.
2. Comprensione delle strutture cristalline e degli usi del SiC
Il SiC vanta oltre 200 politipi, classificati in base alla loro disposizione atomica in strutture cubiche (3C), esagonali (H) e romboedriche (R). Tra questi, 4H-SiC e 6H-SiC sono ampiamente utilizzati rispettivamente in dispositivi ad alta potenza e optoelettronici, mentre il β-SiC è apprezzato per la sua conduttività termica, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione superiori.
β-SiCproprietà uniche, come la conduttività termica di120-200 W/m·Ke un coefficiente di dilatazione termica molto simile alla grafite, ne fanno il materiale preferito per i rivestimenti superficiali nelle apparecchiature per l'epitassia dei wafer.
3. Rivestimenti SiC: proprietà e tecniche di preparazione
I rivestimenti SiC, tipicamente β-SiC, sono ampiamente applicati per migliorare le proprietà superficiali come durezza, resistenza all'usura e stabilità termica. I metodi comuni di preparazione includono:
- Deposizione chimica da fase vapore (CVD):Fornisce rivestimenti di alta qualità con eccellente adesione e uniformità, ideali per substrati grandi e complessi.
- Deposizione fisica da vapore (PVD):Offre un controllo preciso sulla composizione del rivestimento, adatto per applicazioni ad alta precisione.
- Tecniche di spruzzatura, deposizione elettrochimica e rivestimento con impasto liquido: Costituiscono alternative economicamente vantaggiose per applicazioni specifiche, anche se con diverse limitazioni in termini di adesione e uniformità.
Ciascun metodo viene scelto in base alle caratteristiche del substrato e ai requisiti applicativi.
4. Suscettori in grafite rivestiti in SiC in MOCVD
I suscettori di grafite rivestiti in SiC sono indispensabili nella deposizione di vapori chimici organici metallici (MOCVD), un processo chiave nella produzione di semiconduttori e materiali optoelettronici.
Questi suscettori forniscono un supporto robusto per la crescita del film epitassiale, garantendo stabilità termica e riducendo la contaminazione da impurità. Il rivestimento SiC migliora inoltre la resistenza all'ossidazione, le proprietà superficiali e la qualità dell'interfaccia, consentendo un controllo preciso durante la crescita del film.
5. Avanzare verso il futuro
Negli ultimi anni, sforzi significativi sono stati diretti al miglioramento dei processi di produzione dei substrati di grafite rivestiti di SiC. I ricercatori si stanno concentrando sul miglioramento della purezza, dell'uniformità e della durata del rivestimento, riducendo al contempo i costi. Inoltre, l'esplorazione di materiali innovativi comerivestimenti in carburo di tantalio (TaC).offre potenziali miglioramenti nella conduttività termica e nella resistenza alla corrosione, aprendo la strada a soluzioni di prossima generazione.
Poiché la domanda di suscettori in grafite rivestiti in SiC continua a crescere, i progressi nella produzione intelligente e nella produzione su scala industriale supporteranno ulteriormente lo sviluppo di prodotti di alta qualità per soddisfare le esigenze in evoluzione delle industrie dei semiconduttori e dell’optoelettronica.
Orario di pubblicazione: 24 novembre 2023