تاريخ كربيد السيليكون وتطبيق طلاء كربيد السيليكون

تطوير وتطبيقات كربيد السيليكون (SiC)

1. قرن من الابتكار في كربيد السيليكون
بدأت رحلة كربيد السيليكون (SiC) في عام 1893، عندما صمم إدوارد جودريتش أتشيسون فرن أتشيسون، باستخدام مواد الكربون لتحقيق الإنتاج الصناعي لكربيد السيليكون من خلال التسخين الكهربائي للكوارتز والكربون. كان هذا الاختراع بمثابة بداية تصنيع SiC وحصل على براءة اختراع لأتشيسون.

في أوائل القرن العشرين، تم استخدام كربيد السيليكون في المقام الأول كمادة كاشطة نظرًا لصلابته الرائعة ومقاومته للتآكل. بحلول منتصف القرن العشرين، فتحت التطورات في تكنولوجيا ترسيب البخار الكيميائي (CVD) إمكانيات جديدة. قام الباحثون في Bell Labs، بقيادة رستم روي، بوضع الأساس لـ CVD SiC، حيث حققوا أول طلاءات SiC على أسطح الجرافيت.

شهدت السبعينيات طفرة كبيرة عندما قامت شركة يونيون كاربايد بتطبيق الجرافيت المطلي بـ SiC في النمو الفوقي لمواد أشباه الموصلات من نيتريد الغاليوم (GaN). لعب هذا التقدم دورًا محوريًا في مصابيح LED وأشعة الليزر عالية الأداء المعتمدة على GaN. على مر العقود، توسعت طلاءات SiC لتتجاوز أشباه الموصلات إلى التطبيقات في مجال الطيران والسيارات وإلكترونيات الطاقة، وذلك بفضل التحسينات في تقنيات التصنيع.

واليوم، تعمل الابتكارات مثل الرش الحراري، وPVD، وتكنولوجيا النانو على تعزيز أداء وتطبيق طلاءات SiC، وإظهار إمكاناتها في المجالات المتطورة.

2. فهم الهياكل البلورية لـ SiC واستخداماتها
يضم SiC أكثر من 200 نوع متعدد، مصنفة حسب ترتيبها الذري إلى هياكل مكعبة (3C)، سداسية (H)، ومعينية السطوح (R). من بين هذه العناصر، يتم استخدام 4H-SiC و6H-SiC على نطاق واسع في الأجهزة عالية الطاقة والأجهزة الإلكترونية الضوئية، على التوالي، في حين يتم تقييم β-SiC بسبب التوصيل الحراري الفائق، ومقاومة التآكل، ومقاومة التآكل.

β-SiCخصائص فريدة من نوعها، مثل التوصيل الحراري لل120-200 واط/م·كومعامل التمدد الحراري الذي يتطابق بشكل وثيق مع الجرافيت، يجعله المادة المفضلة لطلاء الأسطح في معدات تنضيد الويفر.

3. طلاءات SiC: الخصائص وتقنيات التحضير
يتم تطبيق طلاءات SiC، عادةً β-SiC، على نطاق واسع لتعزيز خصائص السطح مثل الصلابة ومقاومة التآكل والثبات الحراري. تشمل طرق التحضير الشائعة ما يلي:

• ترسيب البخار الكيميائي (CVD):يوفر طلاءات عالية الجودة مع التصاق وتوحيد ممتازين، وهو مثالي للركائز الكبيرة والمعقدة.
• ترسيب البخار الفيزيائي (PVD):يوفر تحكمًا دقيقًا في تركيبة الطلاء، وهو مناسب للتطبيقات عالية الدقة.
• تقنيات الرش والترسيب الكهروكيميائي وطلاء الملاط: تعمل كبدائل فعالة من حيث التكلفة لتطبيقات محددة، على الرغم من وجود قيود متفاوتة في الالتصاق والتوحيد.

يتم اختيار كل طريقة بناءً على خصائص الركيزة ومتطلبات التطبيق.

4. مستقبلات الجرافيت المطلية بـ SiC في MOCVD
لا غنى عن مستقبلات الجرافيت المطلية بـ SiC في ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD)، وهي عملية رئيسية في تصنيع أشباه الموصلات والمواد الإلكترونية البصرية.

توفر هذه المستقبلات دعمًا قويًا لنمو الغشاء الفوقي، مما يضمن الاستقرار الحراري ويقلل التلوث بالشوائب. كما يعمل طلاء SiC أيضًا على تعزيز مقاومة الأكسدة، وخصائص السطح، وجودة الواجهة، مما يتيح التحكم الدقيق أثناء نمو الفيلم.

5. التقدم نحو المستقبل
في السنوات الأخيرة، تم توجيه جهود كبيرة لتحسين عمليات إنتاج ركائز الجرافيت المطلية بـ SiC. يركز الباحثون على تعزيز نقاء الطلاء وتجانسه وعمره مع تقليل التكاليف. بالإضافة إلى ذلك، فإن استكشاف المواد المبتكرة مثلطلاءات كربيد التنتالوم (TaC).يقدم تحسينات محتملة في التوصيل الحراري ومقاومة التآكل، مما يمهد الطريق لحلول الجيل التالي.

مع استمرار نمو الطلب على مستقبلات الجرافيت المطلية بـ SiC، فإن التقدم في التصنيع الذكي والإنتاج على نطاق صناعي سيزيد من دعم تطوير منتجات عالية الجودة لتلبية الاحتياجات المتطورة لصناعات أشباه الموصلات والإلكترونيات الضوئية.