炭化ケイ素の歴史と炭化ケイ素コーティングの応用

1. SiCの開発

1893 年、SiC の発見者であるエドワード グッドリッチ アチソンは、アチソン炉として知られる炭素材料を使用した抵抗炉を設計し、石英と炭素の混合物を電気加熱することによる炭化ケイ素の工業生産を開始しました。その後、彼はこの発明の特許を申請しました。

20 世紀初頭から半ばまで、炭化ケイ素はその並外れた硬度と耐摩耗性により、主に研削工具や切削工具の研磨材として使用されていました。

1950 年代から 1960 年代にかけて、化学蒸着 (CVD) 技術, 米国のベル研究所のラスタム・ロイのような科学者は、CVD SiC テクノロジーの研究の先駆けとなりました。彼らはSiC蒸着プロセスを開発し、その特性と用途についての予備調査を実施し、最初のSiC蒸着を達成しました。グラファイト表面上のSiCコーティング。この研究は、SiC コーティング材料の CVD 調製のための重要な基礎を築きました。

1963 年、ベル研究所の研究者ハワード ワクテルとジョセフ ウェルズは、SiC およびその他のセラミック コーティング材料の化学蒸着技術の開発に重点を置く CVD Incorporated を設立しました。 1974 年に初めて工業生産に成功しました。炭化ケイ素コーティングされたグラファイト製品。このマイルストーンは、グラファイト表面への炭化ケイ素コーティング技術の大きな進歩を示し、半導体、光学、航空宇宙などの分野での炭化ケイ素コーティングの広範な応用への道を切り開きました。

1970 年代に、ユニオン カーバイド コーポレーション (現在はダウ ケミカルの完全子会社) の研究者が最初に応用しました。炭化ケイ素でコーティングされたグラファイトベース窒化ガリウム（GaN）などの半導体材料のエピタキシャル成長。この技術は高性能製品の製造に不可欠でしたGaNベースのLED（発光ダイオード）とレーザー、その後の基礎を築く炭化ケイ素エピタキシー技術そして、半導体分野における炭化ケイ素材料の応用における重要なマイルストーンとなる。

1980 年代から 21 世紀初頭にかけて、製造技術の進歩により、航空宇宙から自動車、パワーエレクトロニクス、半導体装置、および防食コーティングとしてのさまざまな産業用部品に至るまで、炭化ケイ素コーティングの産業および商業用途が拡大しました。

21 世紀初頭から現在に至るまで、溶射、PVD、およびナノテクノロジーの発展により、新しいコーティング調製方法が導入されました。研究者は、材料の性能をさらに向上させるために、ナノスケールの炭化ケイ素コーティングの探索と開発を開始しました。

要約すると、CVD炭化ケイ素コーティング過去数十年にわたり、研究室での研究から産業応用へと移行し、継続的な進歩と画期的な成果を達成してきました。

2. SiCの結晶構造と応用分野

炭化ケイ素には 200 以上のポリタイプがあり、主に炭素原子とケイ素原子の積層配置に基づいて、立方晶系 (3C)、六方晶系 (H)、菱面体晶系の 3 つの主要なグループに分類されます。一般的な例には、2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、および 15R-SiC が含まれます。これらは大きく次の 2 つのタイプに分類できます。

図 1: 炭化ケイ素の結晶構造

α-SiC:これは高温安定構造であり、自然界に存在する本来の構造タイプです。

β-SiC:これは、シリコンと炭素を約 1450℃で反応させることによって形成できる低温安定構造です。 β-SiC は 2100 ～ 2400°C の温度で α-SiC に変化します。

SiC ポリタイプが異なれば、用途も異なります。たとえば、α-SiC の 4H-SiC は高出力デバイスの製造に適していますが、6H-SiC は最も安定したタイプであり、光電子デバイスに使用されます。 β-SiC は、RF デバイスでの使用以外にも、高温、高摩耗、高腐食性の環境下で保護機能を提供する薄膜およびコーティング材料としても重要です。 β-SiC には、α-SiC に比べていくつかの利点があります。

(1)熱伝導率は 120 ～ 200 W/m·K であり、α-SiC の 100 ～ 140 W/m·K よりも大幅に高くなります。

(2) β-SiC はより高い硬度と耐摩耗性を示します。

(3) 耐食性の点では、α-SiCは非酸化性や弱酸性の環境下で優れた性能を発揮しますが、β-SiCはより激しい酸化性や強アルカリ性の環境下でも安定しており、より幅広い化学環境において優れた耐食性を発揮します。 。

さらに、β-SiC の熱膨張係数はグラファイトの熱膨張係数とほぼ一致しており、これらの複合特性により、ウェハ エピタキシー装置のグラファイト ベースの表面コーティングに適した材料となっています。

3. SiC コーティングとその調製方法

(1) SiC コーティング

SiC コーティングは、β-SiC から形成された薄膜であり、さまざまなコーティングまたは蒸着プロセスを通じて基板表面に塗布されます。これらのコーティングは通常、硬度、耐摩耗性、耐食性、耐酸化性、および高温性能を強化するために使用されます。炭化ケイ素コーティングは、セラミック、金属、ガラス、プラスチックなどのさまざまな基材に幅広く応用でき、航空宇宙、自動車製造、エレクトロニクス、その他の分野で広く使用されています。

図 2: グラファイト表面上の SiC コーティングの断面微細構造

(2)  準備方法

SiC コーティングを作成する主な方法には、化学蒸着 (CVD)、物理蒸着 (PVD)、スプレー技術、電気化学蒸着、およびスラリー コーティング焼結が含まれます。

化学蒸着 (CVD):

CVD は、炭化ケイ素コーティングを調製するために最も一般的に使用される方法の 1 つです。 CVD プロセス中、シリコンと炭素を含む前駆体ガスが反応チャンバーに導入され、そこで高温で分解してシリコンと炭素原子が生成されます。これらの原子は基板表面に吸着し、反応して炭化ケイ素コーティングを形成します。ガス流量、堆積温度、堆積圧力、時間などの主要なプロセスパラメータを制御することで、コーティングの厚さ、化学量論、粒径、結晶構造、配向を正確に調整して、特定のアプリケーション要件を満たすことができます。この方法のもう 1 つの利点は、優れた接着力と充填能力で大型で複雑な形状の基材をコーティングするのに適していることです。ただし、CVD プロセスで使用される前駆体および副生成物は可燃性および腐食性であることが多く、生産を危険にさらします。さらに、原料の利用率が比較的低く、調製コストが高くなります。

物理蒸着 (PVD):

PVD では、高真空下での熱蒸着やマグネトロン スパッタリングなどの物理的方法を使用して、高純度の炭化ケイ素材料を蒸発させ、基板表面に凝縮させて薄膜を形成します。この方法により、コーティングの厚さと組成を正確に制御でき、切削工具コーティング、セラミックコーティング、光学コーティング、遮熱コーティングなどの高精度用途に適した緻密な炭化ケイ素コーティングを生成できます。ただし、複雑な形状のコンポーネント、特に凹部や影の領域で均一な被覆を実現することは困難です。さらに、コーティングと基材の間の接着が不十分になる可能性があります。 PVD 装置は、高価な高真空システムと精密制御装置が必要なため、高価です。また、成膜速度が遅いため生産効率が低く、大規模な工業生産には不向きです。

スプレー技術:

これには、液体材料を基板表面にスプレーし、特定の温度で硬化させてコーティングを形成することが含まれます。この方法はシンプルでコスト効率が高いですが、得られるコーティングは通常、基材への接着​​力が弱く、均一性が低く、コーティングが薄く、耐酸化性が低いため、性能を向上させるために補助的な方法が必要になることがよくあります。

電気化学堆積:

この技術は、電気化学反応を使用して、溶液から基板表面に炭化ケイ素を堆積させます。電極電位と前駆体溶液の組成を制御することにより、均一なコーティング成長を達成できます。この方法で調製された炭化ケイ素コーティングは、化学/生物学センサー、光起電力デバイス、リチウムイオン電池用の電極材料、耐食コーティングなどの特定の分野に適用できます。

スラリーのコーティングと焼結:

この方法では、コーティング材料とバインダーを混合してスラリーを作成し、それを基材表面に均一に塗布します。乾燥後、コーティングされたワークピースは不活性雰囲気中で高温で焼結され、目的のコーティングが形成されます。操作が簡単で塗膜厚を制御できるなどの利点がありますが、塗膜と基材の接着強度が弱い場合が多いです。また、コーティングは耐熱衝撃性が低く、均一性が低く、プロセスに一貫性がないため、大量生産には適していません。

全体として、適切な炭化ケイ素コーティングの調製方法を選択するには、アプリケーションのシナリオに基づいて、性能要件、基材の特性、およびコストを包括的に考慮する必要があります。

4. SiC コーティングされたグラファイトサセプター

SiC コーティングされたグラファイト サセプターは、有機金属化学気相成長 (MOCVD) プロセス、半導体、オプトエレクトロニクス、その他の材料科学の分野で薄膜やコーティングを調製するために広く使用されている技術です。

図3

5. MOCVD装置におけるSiCコートグラファイト基板の機能

SiC コーティングされたグラファイト基板は、半導体、オプトエレクトロニクス、その他の材料科学の分野で薄膜やコーティングを調製するために広く使用されている技術である有機金属化学気相成長 (MOCVD) プロセスにおいて極めて重要です。

図 4: Semicorex CVD 装置

サポートキャリア:MOCVD では、半導体材料がウェーハ基板表面上で層ごとに成長し、特定の特性と構造を備えた薄膜を形成できます。SiCコーティングされたグラファイトキャリアサポートキャリアとして機能し、堅牢で安定したプラットフォームを提供します。エピタキシー半導体薄膜のこと。 SiC コーティングの優れた熱安定性と化学的不活性により、高温環境でも基板の安定性が維持され、腐食性ガスとの反応が軽減され、成長した半導体膜の高純度で一貫した特性と構造が確保されます。例としては、MOCVD 装置での GaN エピタキシャル成長用の SiC コーティンググラファイト基板、単結晶シリコンエピタキシャル成長用の SiC コーティンググラファイト基板 (平面基板、円形基板、三次元基板)、および単結晶シリコンエピタキシャル成長用の SiC コーティンググラファイト基板が挙げられます。SiCエピタキシャル成長.

熱安定性と耐酸化性:MOCVD プロセスには、高温反応と酸化性ガスが含まれる場合があります。 SiC コーティングは、グラファイト基板の熱安定性と酸化保護を強化し、高温環境での故障や酸化を防ぎます。これは、薄膜成長の一貫性を制御および維持するために重要です。

材料界面と表面特性の制御:SiC コーティングは膜と基板間の相互作用に影響を及ぼし、成長モード、格子整合、界面の品質に影響を与える可能性があります。 SiC コーティングの特性を調整することで、より正確な材料成長と界面制御を実現でき、SiC コーティングの性能が向上します。エピタキシャル膜.

不純物汚染の削減:高純度の SiC コーティングにより、グラファイト基板からの不純物汚染を最小限に抑え、成長させたエピタキシャル膜必要な高純度を備えています。これは、半導体デバイスの性能と信頼性にとって極めて重要です。

図 5: セミコレックスSiC コーティングされたグラファイト受容体エピタキシーにおけるウェーハキャリアとして

要約すれば、SiCコーティングされたグラファイト基板MOCVDプロセスにおいてより優れたベースサポート、熱安定性、界面制御を提供し、高品質の結晶の成長と準備を促進します。エピタキシャル膜.

6. 結論と展望

現在、中国の研究機関は、生産プロセスの改善に専念しています。炭化ケイ素でコーティングされたグラファイトサセプター、コーティングの純度と均一性を高め、生産コストを削減しながらSiCコーティングの品質と寿命を延ばします。同時に、生産効率と製品品質を向上させるために、炭化ケイ素でコーティングされたグラファイト基板のインテリジェントな製造プロセスを実現する方法を模索しています。業界は産業化への投資を増やしています。炭化ケイ素でコーティングされたグラファイト基板、市場の需要を満たすために生産規模と製品の品質を向上させます。最近、研究機関や産業界は、新しいコーティング技術の研究に積極的に取り組んでいます。グラファイトサセプター上のTaCコーティング、熱伝導性と耐食性を向上させます。**

Semicorex は、CVD SiC コーティング材料用の高品質コンポーネントを提供します。ご質問がある場合、または詳細が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。

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