Sejarah Singkat Silikon Karbida dan Penerapan Pelapis Silikon Karbida

1. Pengembangan SiC

Pada tahun 1893, Edward Goodrich Acheson, penemu SiC, merancang tungku resistor menggunakan bahan karbon—dikenal sebagai tungku Acheson—untuk memulai produksi industri silikon karbida dengan memanaskan campuran kuarsa dan karbon secara elektrik. Dia kemudian mengajukan paten untuk penemuan ini.

Dari awal hingga pertengahan abad ke-20, karena kekerasan dan ketahanan ausnya yang luar biasa, silikon karbida terutama digunakan sebagai bahan abrasif pada perkakas gerinda dan pemotong.

Selama tahun 1950an dan 1960an, dengan munculnyateknologi deposisi uap kimia (CVD)., ilmuwan seperti Rustum Roy di Bell Labs di Amerika Serikat memelopori penelitian teknologi CVD SiC. Mereka mengembangkan proses pengendapan uap SiC dan melakukan eksplorasi awal terhadap sifat dan aplikasinya, sehingga mencapai pengendapan pertamaLapisan SiC pada permukaan grafit. Pekerjaan ini meletakkan dasar penting untuk persiapan CVD bahan pelapis SiC.

Pada tahun 1963, peneliti Bell Labs Howard Wachtel dan Joseph Wells mendirikan CVD Incorporated, dengan fokus pada pengembangan teknologi pengendapan uap kimia untuk SiC dan bahan pelapis keramik lainnya. Pada tahun 1974, mereka mencapai produksi industri pertamaproduk grafit berlapis silikon karbida. Tonggak sejarah ini menandai kemajuan signifikan dalam teknologi pelapisan silikon karbida pada permukaan grafit, membuka jalan bagi penerapannya secara luas di berbagai bidang seperti semikonduktor, optik, dan ruang angkasa.

Pada tahun 1970an, para peneliti di Union Carbide Corporation (sekarang anak perusahaan yang dimiliki sepenuhnya oleh Dow Chemical) pertama kali menerapkanbasa grafit berlapis silikon karbidadalam pertumbuhan epitaksi bahan semikonduktor seperti galium nitrida (GaN). Teknologi ini sangat penting untuk menghasilkan kinerja tinggiLED berbasis GaN(dioda pemancar cahaya) dan laser, meletakkan dasar untuk selanjutnyateknologi epitaksi silikon karbidadan menjadi tonggak penting dalam penerapan bahan silikon karbida di bidang semikonduktor.

Dari tahun 1980-an hingga awal abad ke-21, kemajuan teknologi manufaktur memperluas aplikasi industri dan komersial pelapis silikon karbida mulai dari ruang angkasa hingga otomotif, elektronika daya, peralatan semikonduktor, dan berbagai komponen industri sebagai pelapis anti korosi.

Dari awal abad ke-21 hingga sekarang, perkembangan penyemprotan termal, PVD, dan nanoteknologi telah memperkenalkan metode preparasi pelapisan baru. Para peneliti mulai mengeksplorasi dan mengembangkan lapisan silikon karbida skala nano untuk lebih meningkatkan kinerja material.

Singkatnya, teknologi persiapan untukLapisan silikon karbida CVDtelah beralih dari penelitian laboratorium ke aplikasi industri selama beberapa dekade terakhir, mencapai kemajuan dan terobosan berkelanjutan.

2. Struktur Kristal SiC dan Bidang Aplikasi

Silikon karbida memiliki lebih dari 200 politipe, terutama dikategorikan ke dalam tiga kelompok utama berdasarkan susunan atom karbon dan silikon: kubik (3C), heksagonal (H), dan rhombohedral ®. Contoh umum termasuk 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, dan 15R-SiC. Ini secara garis besar dapat dibagi menjadi dua jenis utama:

Gambar 1: Struktur Kristal Silikon Karbida

α-SiC:Ini adalah struktur stabil suhu tinggi dan tipe struktur asli yang ditemukan di alam.

β-SiC:Ini adalah struktur stabil suhu rendah, yang dapat dibentuk dengan mereaksikan silikon dan karbon pada suhu sekitar 1450°C. β-SiC dapat berubah menjadi α-SiC pada suhu antara 2100-2400°C.

Politipe SiC yang berbeda memiliki kegunaan yang berbeda pula. Misalnya, 4H-SiC dalam α-SiC cocok untuk pembuatan perangkat berdaya tinggi, sedangkan 6H-SiC adalah jenis yang paling stabil dan digunakan dalam perangkat optoelektronik. β-SiC, selain digunakan dalam perangkat RF, juga penting sebagai film tipis dan bahan pelapis di lingkungan bersuhu tinggi, sangat aus, dan sangat korosif, sehingga memberikan fungsi perlindungan. β-SiC memiliki beberapa keunggulan dibandingkan α-SiC:

(1)Konduktivitas termalnya berkisar antara 120-200 W/m·K, jauh lebih tinggi daripada α-SiC yang 100-140 W/m·K.

(2) β-SiC menunjukkan kekerasan dan ketahanan aus yang lebih tinggi.

(3) Dalam hal ketahanan terhadap korosi, meskipun α-SiC berkinerja baik di lingkungan non-oksidasi dan sedikit asam, β-SiC tetap stabil di bawah kondisi oksidasi yang lebih agresif dan basa kuat, sehingga menunjukkan ketahanan korosi yang unggul di berbagai lingkungan kimia. .

Selain itu, koefisien ekspansi termal β-SiC sangat mirip dengan grafit, menjadikannya bahan pilihan untuk pelapis permukaan berbasis grafit dalam peralatan epitaksi wafer karena sifat gabungan ini.

3. Pelapisan SiC dan Metode Persiapannya

(1) Lapisan SiC

Pelapis SiC adalah film tipis yang terbentuk dari β-SiC, diaplikasikan pada permukaan substrat melalui berbagai proses pelapisan atau pengendapan. Lapisan ini biasanya digunakan untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan aus, ketahanan korosi, ketahanan oksidasi, dan kinerja suhu tinggi. Lapisan silikon karbida memiliki aplikasi luas di berbagai substrat seperti keramik, logam, kaca, dan plastik, dan banyak digunakan di bidang luar angkasa, manufaktur otomotif, elektronik, dan bidang lainnya.

Gambar 2: Struktur Mikro Penampang Lapisan SiC pada Permukaan Grafit

(2)  Metode Persiapan

Metode utama untuk menyiapkan pelapis SiC meliputi Deposisi Uap Kimia (CVD), Deposisi Uap Fisik (PVD), teknik penyemprotan, deposisi elektrokimia, dan sintering lapisan bubur.

Deposisi Uap Kimia (CVD):

CVD adalah salah satu metode yang paling umum digunakan untuk menyiapkan pelapis silikon karbida. Selama proses CVD, gas prekursor yang mengandung silikon dan karbon dimasukkan ke dalam ruang reaksi, di mana gas tersebut terurai pada suhu tinggi untuk menghasilkan atom silikon dan karbon. Atom-atom ini teradsorpsi ke permukaan substrat dan bereaksi membentuk lapisan silikon karbida. Dengan mengontrol parameter proses utama seperti laju aliran gas, suhu deposisi, tekanan deposisi, dan waktu, ketebalan, stoikiometri, ukuran butir, struktur kristal, dan orientasi lapisan dapat disesuaikan secara tepat untuk memenuhi persyaratan aplikasi spesifik. Keuntungan lain dari metode ini adalah kesesuaiannya untuk melapisi substrat yang besar dan berbentuk kompleks dengan kemampuan adhesi dan pengisian yang baik. Namun, prekursor dan produk sampingan yang digunakan dalam proses CVD seringkali mudah terbakar dan korosif, sehingga membuat produksi menjadi berbahaya. Selain itu, tingkat pemanfaatan bahan bakunya relatif rendah, dan biaya penyiapannya tinggi.

Deposisi Uap Fisik (PVD):

PVD melibatkan penggunaan metode fisik seperti penguapan termal atau sputtering magnetron dalam kondisi vakum tinggi untuk menguapkan bahan silikon karbida dengan kemurnian tinggi dan memadatkannya ke permukaan substrat, membentuk lapisan tipis. Metode ini memungkinkan kontrol yang tepat terhadap ketebalan dan komposisi lapisan, menghasilkan lapisan silikon karbida padat yang cocok untuk aplikasi presisi tinggi seperti pelapis alat pemotong, pelapis keramik, pelapis optik, dan pelapis penghalang termal. Namun, mencapai cakupan yang seragam pada komponen-komponen yang berbentuk kompleks, khususnya di area tersembunyi atau teduh, merupakan sebuah tantangan. Selain itu, daya rekat antara lapisan dan substrat mungkin tidak mencukupi. Peralatan PVD mahal karena kebutuhan akan sistem vakum tinggi dan peralatan kontrol presisi yang mahal. Selain itu, laju pengendapannya lambat sehingga menghasilkan efisiensi produksi yang rendah sehingga tidak cocok untuk produksi industri skala besar.

Teknik Penyemprotan:

Ini melibatkan penyemprotan bahan cair ke permukaan substrat dan mengawetkannya pada suhu tertentu untuk membentuk lapisan. Metode ini sederhana dan hemat biaya, namun lapisan yang dihasilkan biasanya menunjukkan daya rekat yang lemah pada substrat, keseragaman yang lebih buruk, lapisan yang lebih tipis, dan ketahanan oksidasi yang lebih rendah, seringkali memerlukan metode tambahan untuk meningkatkan kinerja.

Deposisi Elektrokimia:

Teknik ini menggunakan reaksi elektrokimia untuk mengendapkan silikon karbida dari larutan ke permukaan substrat. Dengan mengontrol potensial elektroda dan komposisi larutan prekursor, pertumbuhan lapisan yang seragam dapat dicapai. Pelapis silikon karbida yang dibuat dengan metode ini dapat diterapkan di bidang tertentu seperti sensor kimia/biologis, perangkat fotovoltaik, bahan elektroda untuk baterai litium-ion, dan pelapis tahan korosi.

Lapisan Bubur dan Sintering:

Metode ini melibatkan pencampuran bahan pelapis dengan bahan pengikat untuk menghasilkan bubur, yang diaplikasikan secara merata pada permukaan substrat. Setelah kering, benda kerja yang dilapisi disinter pada suhu tinggi dalam atmosfer inert untuk membentuk lapisan yang diinginkan. Keuntungannya termasuk pengoperasian yang sederhana dan mudah serta ketebalan lapisan yang dapat dikontrol, namun kekuatan ikatan antara lapisan dan substrat seringkali lebih lemah. Pelapis tersebut juga memiliki ketahanan guncangan termal yang buruk, keseragaman yang lebih rendah, dan proses yang tidak konsisten, sehingga tidak cocok untuk produksi massal.

Secara keseluruhan, pemilihan metode persiapan pelapisan silikon karbida yang tepat memerlukan pertimbangan komprehensif mengenai persyaratan kinerja, karakteristik substrat, dan biaya berdasarkan skenario aplikasi.

4. Suseptor Grafit Berlapis SiC

Suseptor grafit berlapis SiC sangat penting dalamProses Deposisi Uap Kimia Organik Logam (MOCVD)., teknik yang banyak digunakan untuk menyiapkan film tipis dan pelapis di bidang semikonduktor, optoelektronik, dan ilmu material lainnya.

Gambar 3

5. Fungsi Substrat Grafit Berlapis SiC pada Peralatan MOCVD

Substrat grafit berlapis SiC sangat penting dalam proses Deposisi Uap Kimia Organik Logam (MOCVD), sebuah teknik yang banyak digunakan untuk menyiapkan film tipis dan pelapis di bidang semikonduktor, optoelektronik, dan ilmu material lainnya.

Gambar 4:  Peralatan CVD Semicorex

Operator Pendukung:Dalam MOCVD, bahan semikonduktor dapat tumbuh lapis demi lapis pada permukaan substrat wafer, membentuk film tipis dengan sifat dan struktur tertentu.Pembawa grafit berlapis SiCbertindak sebagai operator pendukung, menyediakan platform yang kuat dan stabil untukepitaksidari film tipis semikonduktor. Stabilitas termal yang sangat baik dan kelembaman kimiawi lapisan SiC menjaga stabilitas substrat di lingkungan bersuhu tinggi, mengurangi reaksi dengan gas korosif, dan memastikan kemurnian tinggi serta sifat dan struktur yang konsisten dari film semikonduktor yang dikembangkan. Contohnya termasuk substrat grafit berlapis SiC untuk pertumbuhan epitaksi GaN pada peralatan MOCVD, substrat grafit berlapis SiC untuk pertumbuhan epitaksi silikon kristal tunggal (substrat datar, substrat bulat, substrat tiga dimensi), dan substrat grafit berlapis SiC untukpertumbuhan epitaksi SiC.

Stabilitas Termal dan Ketahanan Oksidasi:Proses MOCVD mungkin melibatkan reaksi suhu tinggi dan gas pengoksidasi. Lapisan SiC memberikan stabilitas termal tambahan dan perlindungan oksidasi untuk substrat grafit, mencegah kegagalan atau oksidasi di lingkungan bersuhu tinggi. Hal ini penting untuk mengendalikan dan menjaga konsistensi pertumbuhan film tipis.

Kontrol Antarmuka Material dan Properti Permukaan:Lapisan SiC dapat mempengaruhi interaksi antara film dan substrat, mempengaruhi mode pertumbuhan, pencocokan kisi, dan kualitas antarmuka. Dengan menyesuaikan sifat lapisan SiC, pertumbuhan material dan kontrol antarmuka yang lebih tepat dapat dicapai, sehingga meningkatkan kinerjafilm epitaksi.

Mengurangi Kontaminasi Pengotor:Pelapis SiC dengan kemurnian tinggi dapat meminimalkan kontaminasi pengotor dari substrat grafit, sehingga memastikan bahwafilm epitaksi yang tumbuhmemiliki kemurnian tinggi yang diperlukan. Hal ini penting untuk kinerja dan keandalan perangkat semikonduktor.

Gambar 5: SemicorexReseptor Grafit Berlapis SiCsebagai Pembawa Wafer di Epitaksi

Kesimpulan,Substrat grafit berlapis SiCmemberikan dukungan dasar yang lebih baik, stabilitas termal, dan kontrol antarmuka dalam proses MOCVD, mendorong pertumbuhan dan persiapan berkualitas tinggifilm epitaksi.

6. Kesimpulan dan Pandangan

Saat ini, lembaga penelitian di Tiongkok berdedikasi untuk meningkatkan proses produksisuseptor grafit berlapis silikon karbida, meningkatkan kemurnian dan keseragaman lapisan, serta meningkatkan kualitas dan masa pakai lapisan SiC sekaligus mengurangi biaya produksi. Pada saat yang sama, mereka mencari cara untuk mencapai proses manufaktur cerdas untuk substrat grafit berlapis silikon karbida guna meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas produk. Industri ini meningkatkan investasi dalam industrialisasisubstrat grafit berlapis silikon karbida, meningkatkan skala produksi dan kualitas produk untuk memenuhi permintaan pasar. Baru-baru ini, lembaga penelitian dan industri secara aktif mengeksplorasi teknologi pelapisan baru, seperti penerapanLapisan TaC pada kerentanan grafit, untuk meningkatkan konduktivitas termal dan ketahanan korosi.**

Semicorex menawarkan komponen berkualitas tinggi untuk material berlapis CVD SiC. Jika Anda memiliki pertanyaan atau memerlukan detail tambahan, jangan ragu untuk menghubungi kami.

Hubungi telepon #+86-13567891907

Email: penjualan@semicorex.com