Verarbeitung von polykristallinem Siliziumkarbid

Polykristallines Siliciumcarbid hat viele wichtige Anwendungen; die Bearbeitung dieses spröden Materials ist jedoch mit Herausforderungen verbunden. In den meisten Fällen wird das Verfahren durch Diamantschleifen durchgeführt, das sowohl die Oberflächenqualität als auch die Qualität des Untergrunds beeinträchtigen kann.

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Hohe Wärmeleitfähigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist ein hochentwickeltes polykristallines Material mit ausgezeichneten thermischen und chemischen Leiteigenschaften, das durch verschiedene Verfahren hergestellt wird, z. B. durch Reaktion von Siliziumdioxid und Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in einem Elektroofen oder durch maschinelle Bearbeitung und Polieren für den Einsatz in Festplatten, Lese-/Schreibköpfen oder ballistischen Panzerungen. SiC kann extrem hohen Temperaturen standhalten und eignet sich daher für den Einsatz in extremen Umgebungen und Anwendungen.

CVD-SiC zeichnet sich durch hohe Polierbarkeit und Wärmeleitfähigkeit aus und ist damit eine kostengünstigere Alternative als gesintertes oder reaktionsgebundenes SiC. Als wirtschaftliche kubisch-flächenzentrierte polykristalline Form kann CVD-SiC auch in Anwendungen eingesetzt werden, die hohe Temperaturen erfordern, wie z. B. MEMS oder Leistungselektronik.

CVD-Verwendung von 5%-Monomethylsilan, verdünnt mit Wasserstoff (MMS, 6 sccm) als Vorläufer, mit H2 (9 sccm). Bei der Abscheidung wird ein Filament mit 1 Hz gedreht, wobei es mit dem erhitzten Substrat in Kontakt kommt. Nach Abschluss der Abscheidung weist der Film ein kristallines Ordnungsverhältnis von 100 und Merkmale auf, die sich in mehreren Breitengraden deutlich von ihren Pendants aus der Bragg-Beugung unterscheiden.

Hohe elektrische Leitfähigkeit

Der niedrige elektrische Widerstand und die Festigkeit von Siliziumkarbid machen es zu einem begehrten Material für Anwendungen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit erfordern, z. B. bei hohen Temperaturen oder in extremen Umgebungen. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und thermischen Stabilität auch für den Einsatz unter extremen Bedingungen. Leider können jedoch die chemischen und strukturellen Eigenschaften von porösem SiC seine elektrische Leitfähigkeit erheblich beeinträchtigen, so dass die Forscher gezwungen sind, umfangreiche Versuche mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und Glühbedingungen durchzuführen, um seine elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften zu verbessern.

Die elektrischen Eigenschaften von polykristallinem SiC können durch seinen Sauerstoffgehalt beeinflusst werden. Sauerstoff verringert die Bandlückenenergie und verändert damit die elektrische Leitfähigkeit des polykristallinen Materials und seine elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften. Darüber hinaus hat die Zusammensetzung der Ionen einen großen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Materials.

Um eine hohe elektrische Leitfähigkeit von polykristallinem SiC zu erreichen, müssen die Temperaturgradienten während des Kristallwachstums genau kontrolliert werden. Ein Metallfilm kann als Schablone dienen, um das Wachstum von amorphem Silizium zu lenken. Wenn es hohen Temperaturgradienten ausgesetzt wird, kristallisiert dieses amorphe Silizium in kristalline Siliziumkarbidkristalle.

Hohe Festigkeit

Polykristallines Siliziumkarbid ist aufgrund seiner hohen Festigkeit ein geeignetes Trägermaterial für Festplattenlaufwerke. Spinnbare Festplatten, die bis zu 10.000 Umdrehungen pro Minute benötigen, wobei die Köpfe innerhalb von 0,025 Mikrometern der Substratoberfläche gleiten, benötigen ein hochwertiges Substratmaterial, das magnetische Medien tragen kann. Um effektiv zu sein, erfordert dies ein Substrat mit wenigen Defekten, die Lochfraß verursachen, was zu Datenverlust und anderen Problemen führt. Die vorliegende Erfindung betrifft einen polykristallinen Siliziumkarbidkörper mit einer Biegefestigkeit von 500 N/mm2, der Datensicherheit bei Raumtemperatur bietet. Dieser Körper kann unter Verwendung von Pulvermischungen hergestellt werden, die bis zu 3% nach Gewicht eines Additivs mit freiem Kohlenstoff, wie z.B. Ruß, enthalten. Es kann auch ein temporäres Bindemittel hinzugefügt werden; geeignete Beispiele sind Acetylenschwarz, Polyvinylalkohol oder Stearinsäure.

Die derzeitigen porösen Siliziumkarbid-Keramikmonolithe, die durch Konsolidierung fein verteilter Partikel hergestellt werden, sind zu porös, um Schaltkreisleitungen mit einer Breite von weniger als 0,25 Mikrometern zu unterstützen. Die Sinterung dieser Pulver kann zwar zu ihrer Verdichtung beitragen, doch verbleiben in den Oberflächenporen und Korngrenzen erhebliche Mengen an nicht-stöchiometrischem Siliziummetall und Kohlenstoff, da Verunreinigungen aus den Rohstoffen oder der Prozessausrüstung die Größe oder Anzahl der Poren beeinflussen.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Siliziumkarbid (SiC) ist ein industrielles Material mit einzigartigen Eigenschaften, die es für Hochtemperaturanwendungen, einschließlich Öfen, geeignet machen. SiC verfügt über eine hohe mechanische Festigkeit, chemische Inertheit, ausgezeichnete Kriechfestigkeit sowie geringe Wärmeausdehnung und -leitfähigkeit - Eigenschaften, die es für den Einsatz in Öfen geeignet machen. Darüber hinaus ist SiC extrem hart und abriebfest und besitzt geringe Reibungseigenschaften.

SiC ist ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, das je nach Herstellung und Dotierung mit Stickstoff- oder Phosphor-Dotierstoffen zu einem n-Typ oder p-Typ (Bor-, Aluminium- oder Gallium-Dotierstoffe) dotiert werden kann. SiC wird aufgrund seiner relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit, seiner hervorragenden Wärmeableitung und seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in elektronischen Geräten wie Dioden und Transistoren verwendet.

Die vorliegende Erfindung bietet freistehendes, chemisch aufgedampftes polykristallines Siliciumcarbid der b-Phase mit reduzierten Stapelfehlern und anderen kristallinen Defekten und einem Ordnungsverhältnis von weniger als 0,10. Darüber hinaus zeichnet sich diese Erfindung durch eine mittlere freie Weglänge der Phononen von mehr als 100 Nanometern aus, die eine Energieableitung über das Gitter ermöglicht, ohne mit Stapelfehlern, Korngrenzen oder Punktdefekten zu kollidieren.

Hohe Temperaturstabilität

Die hohe Temperaturstabilität von polykristallinem Siliziumkarbid macht es zu einem unschätzbaren Werkstoff in der Leistungselektronik und in Elektrofahrzeugen, wo seine Wärmeleitfähigkeit hohen Wärmebelastungen standhält, ohne dass die Bauteile überhitzen. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Beständigkeit gegen Abrieb und chemische Korrosion auch für die Kühlung von Bauteilen geeignet.

Polykristallines Siliciumcarbid kann mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden, darunter Heißpressen und direktes Sintern. Sinterhilfsmittel wie Kohlenstoff können ebenfalls dazu beitragen, die Verdichtung und die mechanischen Eigenschaften dieses Materials zu verbessern. Kohlenstoff reagiert mit dem oberflächlichen SiO2, um die Verdampfung zu stoppen und gleichzeitig die Körner zu verdichten, während Bor die Oberflächendiffusion verhindert und gleichzeitig die Korngrenzenenergie verändert.

Es wurden ohmsche und niederohmige elektrische Kontakte auf polykristallinem Siliciumcarbid der b-Phase durch chemische Abscheidung aus der Gasphase mit Wasserstoff (H2, 94 Standardkubikzentimeter pro Minute) und Methyltrichlorsilan (MMS, 6 Standardkubikzentimeter pro Minute) nachgewiesen. Langfristige Alterungstests in einer Sauerstoffatmosphäre haben bestätigt, dass ihre Leistung bis zu 900 Grad Celsius intakt bleibt.