ประวัติซิลิคอนคาร์ไบด์และการประยุกต์ใช้การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์

การพัฒนาและการประยุกต์ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)

1. ศตวรรษแห่งนวัตกรรมใน SiC
การเดินทางของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เริ่มต้นขึ้นในปี 1893 เมื่อ Edward Goodrich Acheson ออกแบบเตา Acheson โดยใช้วัสดุคาร์บอนเพื่อให้บรรลุการผลิต SiC ทางอุตสาหกรรมผ่านการทำความร้อนไฟฟ้าของควอตซ์และคาร์บอน สิ่งประดิษฐ์นี้เป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนาอุตสาหกรรมของ SiC และทำให้ Acheson ได้รับสิทธิบัตร

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 SiC ถูกใช้เป็นหลักในการขัดถู เนื่องจากมีความแข็งและทนทานต่อการสึกหรอที่โดดเด่น ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการสะสมไอสารเคมี (CVD) ได้ปลดล็อกความเป็นไปได้ใหม่ๆ นักวิจัยที่ Bell Labs ซึ่งนำโดย Rustum Roy ได้วางรากฐานสำหรับ CVD SiC โดยประสบความสำเร็จในการเคลือบ SiC ครั้งแรกบนพื้นผิวกราไฟท์

ทศวรรษ 1970 ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญเมื่อ Union Carbide Corporation ใช้กราไฟท์เคลือบ SiC ในการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ความก้าวหน้านี้มีบทบาทสำคัญใน LED และเลเซอร์ที่ใช้ GaN ประสิทธิภาพสูง ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา การเคลือบ SiC ได้ขยายออกไปนอกเหนือจากเซมิคอนดักเตอร์ไปสู่การใช้งานในการบินและอวกาศ ยานยนต์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ด้วยการปรับปรุงเทคนิคการผลิต

ในปัจจุบัน นวัตกรรมต่างๆ เช่น การพ่นด้วยความร้อน PVD และนาโนเทคโนโลยีกำลังเพิ่มประสิทธิภาพและการประยุกต์ใช้การเคลือบ SiC ต่อไป โดยแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในสาขาที่ล้ำหน้า

2. ทำความเข้าใจโครงสร้างคริสตัลและการใช้งานของ SiC
SiC มีโพลีไทป์มากกว่า 200 ชนิด ซึ่งแบ่งประเภทตามการจัดเรียงอะตอมเป็นโครงสร้างลูกบาศก์ (3C) หกเหลี่ยม (H) และสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน (R) ในจำนวนนี้ 4H-SiC และ 6H-SiC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์กำลังสูงและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ตามลำดับ ในขณะที่ β-SiC มีค่าสำหรับการนำความร้อนที่เหนือกว่า ความต้านทานการสึกหรอ และความต้านทานการกัดกร่อน

β-SiCคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น การนำความร้อนของ120-200 วัตต์/เมตร·เคและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่เข้ากันกับกราไฟท์อย่างใกล้ชิด ทำให้เป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับการเคลือบพื้นผิวในอุปกรณ์ epitaxy เวเฟอร์

3. การเคลือบ SiC: คุณสมบัติและเทคนิคการเตรียมการ
การเคลือบ SiC ซึ่งโดยทั่วไปคือ β-SiC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อเพิ่มคุณสมบัติของพื้นผิว เช่น ความแข็ง ความต้านทานการสึกหรอ และเสถียรภาพทางความร้อน วิธีการเตรียมโดยทั่วไป ได้แก่ :

• การสะสมไอสารเคมี (CVD):ให้การเคลือบคุณภาพสูงพร้อมการยึดเกาะและความสม่ำเสมอที่ดีเยี่ยม เหมาะสำหรับพื้นผิวขนาดใหญ่และซับซ้อน
• การสะสมไอทางกายภาพ (PVD):ให้การควบคุมองค์ประกอบการเคลือบที่แม่นยำ เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง
• เทคนิคการพ่น การสะสมทางเคมีไฟฟ้า และการเคลือบสารละลาย: เป็นทางเลือกที่คุ้มค่าสำหรับการใช้งานเฉพาะ แม้ว่าจะมีข้อจำกัดที่แตกต่างกันในการยึดเกาะและความสม่ำเสมอ

แต่ละวิธีจะถูกเลือกตามลักษณะของวัสดุพิมพ์และข้อกำหนดในการใช้งาน

4. ตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC ใน MOCVD
ตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการสะสมไอสารเคมีอินทรีย์ของโลหะ (MOCVD) ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญในการผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์

ตัวรับเหล่านี้ให้การสนับสนุนการเติบโตของฟิล์มอีพิเทกเซียลอย่างแข็งแกร่ง ทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรทางความร้อนและลดการปนเปื้อนของสิ่งเจือปน การเคลือบ SiC ยังช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน คุณสมบัติพื้นผิว และคุณภาพของส่วนต่อประสาน ทำให้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำในระหว่างการเติบโตของฟิล์ม

5. ก้าวไปสู่อนาคต
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความพยายามอย่างมากในการปรับปรุงกระบวนการผลิตของซับสเตรตกราไฟท์ที่เคลือบ SiC นักวิจัยกำลังมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มความบริสุทธิ์ ความสม่ำเสมอ และอายุการใช้งานของสารเคลือบ ในขณะเดียวกันก็ลดต้นทุนไปด้วย นอกจากนี้การสำรวจวัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่เช่นการเคลือบแทนทาลัมคาร์ไบด์ (TaC)เสนอการปรับปรุงที่มีศักยภาพในด้านการนำความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อน ปูทางไปสู่การแก้ปัญหาแห่งยุคต่อไป

เนื่องจากความต้องการตัวรับกราไฟท์ที่เคลือบ SiC ยังคงเพิ่มขึ้น ความก้าวหน้าในการผลิตอัจฉริยะและการผลิตในระดับอุตสาหกรรมจะสนับสนุนการพัฒนาผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงต่อไป เพื่อตอบสนองความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์