Sự phát triển và ứng dụng của Silicon Carbide (SiC)
1. Một thế kỷ đổi mới trong SiC
Hành trình của cacbua silic (SiC) bắt đầu vào năm 1893, khi Edward Goodrich Acheson thiết kế lò Acheson, sử dụng vật liệu cacbon để sản xuất SiC công nghiệp thông qua đốt nóng thạch anh và cacbon bằng điện. Phát minh này đánh dấu sự khởi đầu của quá trình công nghiệp hóa SiC và mang lại cho Acheson bằng sáng chế.
Vào đầu thế kỷ 20, SiC chủ yếu được sử dụng làm chất mài mòn do độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội. Vào giữa thế kỷ 20, những tiến bộ trong công nghệ lắng đọng hơi hóa học (CVD) đã mở ra những khả năng mới. Các nhà nghiên cứu tại Bell Labs, dẫn đầu bởi Rustum Roy, đã đặt nền móng cho CVD SiC, tạo ra lớp phủ SiC đầu tiên trên bề mặt than chì.
Những năm 1970 chứng kiến một bước đột phá lớn khi Union Carbide Corporation ứng dụng than chì phủ SiC trong quá trình tăng trưởng epiticular của vật liệu bán dẫn gali nitrit (GaN). Sự tiến bộ này đóng một vai trò then chốt trong đèn LED và laser dựa trên GaN hiệu suất cao. Trong nhiều thập kỷ, lớp phủ SiC đã mở rộng ra ngoài chất bán dẫn đến các ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và điện tử công suất nhờ những cải tiến trong kỹ thuật sản xuất.
Ngày nay, những đổi mới như phun nhiệt, PVD và công nghệ nano đang nâng cao hơn nữa hiệu suất và ứng dụng của lớp phủ SiC, thể hiện tiềm năng của nó trong các lĩnh vực tiên tiến.
2. Tìm hiểu cấu trúc và công dụng tinh thể của SiC
SiC tự hào có hơn 200 polytype, được phân loại theo cách sắp xếp nguyên tử của chúng thành các cấu trúc hình khối (3C), lục giác (H) và hình thoi (R). Trong số này, 4H-SiC và 6H-SiC lần lượt được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công suất cao và quang điện tử, trong khi β-SiC được đánh giá cao nhờ tính dẫn nhiệt, chống mài mòn và chống ăn mòn vượt trội.
β-SiCnhững đặc tính độc đáo, chẳng hạn như tính dẫn nhiệt của120-200 W/m·Kvà hệ số giãn nở nhiệt gần giống với than chì, khiến nó trở thành vật liệu được ưu tiên dùng làm lớp phủ bề mặt trong thiết bị epit Wafer.
3. Lớp phủ SiC: Tính chất và kỹ thuật chuẩn bị
Lớp phủ SiC, điển hình là β-SiC, được ứng dụng rộng rãi để tăng cường các đặc tính bề mặt như độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ ổn định nhiệt. Các phương pháp chuẩn bị phổ biến bao gồm:
- Lắng đọng hơi hóa học (CVD):Cung cấp lớp phủ chất lượng cao với độ bám dính và tính đồng nhất tuyệt vời, lý tưởng cho các chất nền lớn và phức tạp.
- Lắng đọng hơi vật lý (PVD):Cung cấp khả năng kiểm soát chính xác thành phần lớp phủ, phù hợp cho các ứng dụng có độ chính xác cao.
- Kỹ thuật phun, lắng đọng điện hóa và phủ bùn: Phục vụ như là giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí cho các ứng dụng cụ thể, mặc dù có những hạn chế khác nhau về độ bám dính và tính đồng nhất.
Mỗi phương pháp được lựa chọn dựa trên đặc tính của chất nền và yêu cầu ứng dụng.
4. Chất nhạy cảm than chì được phủ SiC trong MOCVD
Chất nhạy cảm than chì được phủ SiC là không thể thiếu trong quá trình lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD), một quy trình quan trọng trong sản xuất vật liệu bán dẫn và quang điện tử.
Những chất nhạy cảm này hỗ trợ mạnh mẽ cho sự phát triển của màng epiticular, đảm bảo độ ổn định nhiệt và giảm ô nhiễm tạp chất. Lớp phủ SiC cũng tăng cường khả năng chống oxy hóa, tính chất bề mặt và chất lượng giao diện, cho phép kiểm soát chính xác trong quá trình phát triển màng.
5. Tiến tới tương lai
Trong những năm gần đây, những nỗ lực đáng kể đã được hướng tới việc cải thiện quy trình sản xuất chất nền than chì phủ SiC. Các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc nâng cao độ tinh khiết, tính đồng nhất và tuổi thọ của lớp phủ đồng thời giảm chi phí. Ngoài ra, việc khám phá các vật liệu tiên tiến nhưlớp phủ tantalum cacbua (TaC)mang đến những cải tiến tiềm năng về tính dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn, mở đường cho các giải pháp thế hệ tiếp theo.
Khi nhu cầu về chất nhạy cảm than chì phủ SiC tiếp tục tăng, những tiến bộ trong sản xuất thông minh và sản xuất quy mô công nghiệp sẽ hỗ trợ thêm cho việc phát triển các sản phẩm chất lượng cao nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp bán dẫn và quang điện tử.
Thời gian đăng: 24-11-2023