Le développement et les applications du carbure de silicium (SiC)
1. Un siècle d'innovation dans le SiC
L'aventure du carbure de silicium (SiC) a commencé en 1893, lorsque Edward Goodrich Acheson a conçu le four Acheson, utilisant des matériaux carbonés pour réaliser la production industrielle de SiC grâce au chauffage électrique du quartz et du carbone. Cette invention marque le début de l'industrialisation du SiC et vaut à Acheson un brevet.
Au début du XXe siècle, le SiC était principalement utilisé comme abrasif en raison de sa dureté et de sa résistance à l'usure remarquables. Au milieu du XXe siècle, les progrès de la technologie du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ont ouvert de nouvelles possibilités. Les chercheurs des Bell Labs, dirigés par Rustum Roy, ont jeté les bases du CVD SiC, réalisant les premiers revêtements SiC sur des surfaces en graphite.
Les années 1970 ont vu une avancée majeure lorsque Union Carbide Corporation a appliqué du graphite recouvert de SiC dans la croissance épitaxiale de matériaux semi-conducteurs en nitrure de gallium (GaN). Cette avancée a joué un rôle central dans les LED et lasers hautes performances à base de GaN. Au fil des décennies, les revêtements SiC se sont étendus au-delà des semi-conducteurs pour atteindre des applications dans l'aérospatiale, l'automobile et l'électronique de puissance, grâce aux améliorations des techniques de fabrication.
Aujourd'hui, des innovations telles que la projection thermique, le PVD et la nanotechnologie améliorent encore les performances et l'application des revêtements SiC, démontrant ainsi leur potentiel dans des domaines de pointe.
2. Comprendre les structures cristallines et les utilisations du SiC
Le SiC compte plus de 200 polytypes, classés selon leurs arrangements atomiques en structures cubiques (3C), hexagonales (H) et rhomboédriques (R). Parmi ceux-ci, le 4H-SiC et le 6H-SiC sont respectivement largement utilisés dans les dispositifs haute puissance et optoélectroniques, tandis que le β-SiC est apprécié pour sa conductivité thermique, sa résistance à l'usure et sa résistance à la corrosion supérieures.
β-SiCpropriétés uniques, telles qu'une conductivité thermique de120-200 W/m·Ket un coefficient de dilatation thermique étroitement adapté au graphite, en font le matériau préféré pour les revêtements de surface dans les équipements d'épitaxie de tranches.
3. Revêtements SiC : propriétés et techniques de préparation
Les revêtements SiC, généralement le β-SiC, sont largement appliqués pour améliorer les propriétés de surface telles que la dureté, la résistance à l'usure et la stabilité thermique. Les méthodes courantes de préparation comprennent :
- Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :Fournit des revêtements de haute qualité avec une excellente adhérence et uniformité, idéal pour les substrats vastes et complexes.
- Dépôt physique en phase vapeur (PVD) :Offre un contrôle précis de la composition du revêtement, adapté aux applications de haute précision.
- Techniques de pulvérisation, dépôt électrochimique et revêtement en boue : Servir d'alternative rentable pour des applications spécifiques, mais avec des limitations variables en termes d'adhérence et d'uniformité.
Chaque méthode est choisie en fonction des caractéristiques du substrat et des exigences de l'application.
4. Suscepteurs de graphite revêtus de SiC dans MOCVD
Les suscepteurs en graphite recouverts de SiC sont indispensables dans le dépôt chimique en phase vapeur de métaux organiques (MOCVD), un processus clé dans la fabrication de semi-conducteurs et de matériaux optoélectroniques.
Ces suscepteurs fournissent un support robuste pour la croissance du film épitaxial, garantissant la stabilité thermique et réduisant la contamination par impuretés. Le revêtement SiC améliore également la résistance à l'oxydation, les propriétés de surface et la qualité de l'interface, permettant un contrôle précis pendant la croissance du film.
5. Avancer vers l’avenir
Ces dernières années, des efforts importants ont été déployés pour améliorer les processus de production de substrats en graphite recouverts de SiC. Les chercheurs se concentrent sur l’amélioration de la pureté, de l’uniformité et de la durée de vie du revêtement tout en réduisant les coûts. De plus, l'exploration de matériaux innovants commerevêtements en carbure de tantale (TaC)offre des améliorations potentielles en matière de conductivité thermique et de résistance à la corrosion, ouvrant la voie à des solutions de nouvelle génération.
Alors que la demande de suscepteurs en graphite recouverts de SiC continue de croître, les progrès en matière de fabrication intelligente et de production à l'échelle industrielle soutiendront davantage le développement de produits de haute qualité pour répondre aux besoins changeants des industries des semi-conducteurs et de l'optoélectronique.
Heure de publication : 24 novembre 2023