היסטוריה של סיליקון קרביד ויישום ציפוי סיליקון קרביד

הפיתוח והיישומים של סיליקון קרביד (SiC)

1. מאה של חדשנות ב-SiC
המסע של סיליקון קרביד (SiC) החל בשנת 1893, כאשר אדוארד גודריץ' אצ'סון עיצב את תנור ה- Acheson, תוך שימוש בחומרי פחמן כדי להשיג את הייצור התעשייתי של SiC באמצעות חימום חשמלי של קוורץ ופחמן. המצאה זו סימנה את תחילת התיעוש של SiC וזיכתה את Acheson בפטנט.

בתחילת המאה ה-20, ה-SiC שימש בעיקר כחומר שוחקים בשל קשיותו ועמידות הבלאי המדהימה שלו. עד אמצע המאה ה-20, ההתקדמות בטכנולוגיית שקיעת אדים כימית (CVD) פתחה אפשרויות חדשות. חוקרים ממעבדות בל, בראשות Rustum Roy, הניחו את הבסיס ל-CVD SiC, והשיגו את ציפויי ה-SiC הראשונים על משטחי גרפיט.

שנות ה-70 ראו פריצת דרך גדולה כאשר Union Carbide Corporation יישם גרפיט מצופה SiC בגידול האפיטקסיאלי של חומרים מוליכים למחצה גליום ניטריד (GaN). התקדמות זו מילאה תפקיד מרכזי בנורות LED ולייזרים מבוססי GaN בעלי ביצועים גבוהים. במהלך עשרות השנים, ציפויי SiC התרחבו מעבר למוליכים למחצה ליישומים בתעופה וחלל, רכב ואלקטרוניקה כוח, הודות לשיפורים בטכניקות הייצור.

כיום, חידושים כמו ריסוס תרמי, PVD וננוטכנולוגיה משפרים עוד יותר את הביצועים והיישום של ציפויי SiC, ומציגים את הפוטנציאל שלו בתחומים חדשניים.

2. הבנת מבני הקריסטל והשימושים של SiC
SiC מתגאה בלמעלה מ-200 פולי טיפוסים, מסווגים לפי הסידורים האטומיים שלהם למבנים מעוקבים (3C), משושה (H) ומבנים מעוינים (R). בין אלה, 4H-SiC ו-6H-SiC נמצאים בשימוש נרחב במכשירים בעלי הספק גבוה ואופטו-אלקטרוניים, בהתאמה, בעוד ש-β-SiC מוערך בשל מוליכות תרמית מעולה, עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה.

β-SiCתכונות ייחודיות, כגון מוליכות תרמית של120-200 W/m·Kומקדם התפשטות תרמית התואם באופן הדוק לגרפיט, הופכים אותו לחומר המועדף עבור ציפוי פני השטח בציוד אפיטקסיית פרוסות.

3. ציפויי SiC: מאפיינים וטכניקות הכנה
ציפויי SiC, בדרך כלל β-SiC, מיושמים באופן נרחב כדי לשפר את תכונות פני השטח כמו קשיות, עמידות בפני שחיקה ויציבות תרמית. שיטות הכנה נפוצות כוללות:

• שקיעת אדים כימית (CVD):מספק ציפויים איכותיים עם הדבקה ואחידות מעולים, אידיאלי עבור מצעים גדולים ומורכבים.
• שקיעת אדים פיזית (PVD):מציע שליטה מדויקת על הרכב הציפוי, מתאים ליישומים בעלי דיוק גבוה.
• טכניקות ריסוס, שקיעה אלקטרוכימית וציפוי תבלין: משמש כחלופות חסכוניות עבור יישומים ספציפיים, אם כי עם מגבלות משתנות בהדבקה ובאחידות.

כל שיטה נבחרת על סמך מאפייני המצע ודרישות היישום.

4. קולטי גרפיט מצופים SiC ב-MOCVD
קולטי גרפיט מצופים SiC הם הכרחיים ב-Mettal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), תהליך מפתח בייצור חומרים מוליכים למחצה ואופטואלקטרוניים.

סופגים אלה מספקים תמיכה חזקה לצמיחת סרט אפיטקסיאלי, מבטיחים יציבות תרמית ומפחיתים זיהום זיהומים. ציפוי SiC גם משפר את עמידות החמצון, תכונות פני השטח ואיכות הממשק, ומאפשר שליטה מדויקת במהלך צמיחת הסרט.

5. התקדמות לעבר העתיד
בשנים האחרונות מופנו מאמצים משמעותיים לשיפור תהליכי הייצור של מצעי גרפיט מצופים SiC. החוקרים מתמקדים בשיפור טוהר הציפוי, אחידותם ותוחלת החיים תוך הפחתת עלויות. בנוסף, חקר חומרים חדשניים כמוציפוי טנטלום קרביד (TaC).מציע שיפורים פוטנציאליים במוליכות תרמית ועמידות בפני קורוזיה, וסוללים את הדרך לפתרונות הדור הבא.

ככל שהביקוש לקולטי גרפיט מצופים SiC ממשיך לגדול, ההתקדמות בייצור חכם וייצור בקנה מידה תעשייתי יתמוך עוד יותר בפיתוח מוצרים באיכות גבוהה כדי לענות על הצרכים המתפתחים של תעשיות המוליכים למחצה והאופטואלקטרוניקה.