Traitement du carbure de silicium

Le carbure de silicium (SiC) présente de faibles taux de dilatation thermique, ce qui en fait un excellent choix de matériau pour les miroirs aux points focaux des télescopes astronomiques. En outre, le carbure de silicium offre une rigidité et une solidité excellentes, ainsi qu'une résistance à la corrosion chimique.

La production de carbure de silicium suit généralement le procédé Acheson. Il s'agit de mélanger du sable siliceux avec du carbone dans un four à résistance électrique avant de faire passer un courant électrique - cette méthode de production est connue sous ce nom.

Processus d'Acheson

La production industrielle moderne de carbure de silicium repose en grande partie sur le procédé Acheson créé par Edward Goodrich Acheson (1856-1931). Ce procédé de réduction carbothermique utilise du coke de pétrole et du quartz comme matières premières, créant du carbure de silicium par des réactions à haute température de plus de 2000 degrés Celsius dans un four à résistance thermique.

Le procédé Acheson n'est pas efficace sur le plan énergétique et émet de grands volumes de gaz réduits (CO, NH3, N2 et H2). Pour atténuer cet effet, il est possible d'ajouter un système de collecte des gaz, mais cela augmenterait les besoins énergétiques globaux tout en compliquant la conception technique des fours.

La modélisation du procédé Acheson est essentielle pour comprendre sa formation à haute température et optimiser l'efficacité de cette méthode de production de SiC. Le comportement des impuretés doit être prédit sur l'ensemble de la plage de température (1500-2500 degC) où se produit la formation du SiC, ce qui est particulièrement important lorsqu'il s'agit de matières premières contenant de l'Al, du Fe, du Ca, du Mg et des métaux alcalins qui composent le mélange de matières premières utilisé dans les procédés Acheson tels que la production de SiC.

Une approche innovante a été adoptée pour modéliser le procédé Acheson. Un modèle mathématique incorpore la conduction, la convection et le rayonnement dans ses équations de bilan thermique à l'aide de la méthode des volumes finis. Ce modèle a ensuite été validé par rapport aux données expérimentales pour fournir une excellente comparaison entre les résultats calculés et les résultats expérimentaux.

Processus de Lely

Le procédé Lely est une solution tout-en-un pour la croissance de cristaux de carbure de silicium de grand diamètre. La première étape, connue sous le nom de croissance des semences, consiste à chauffer de petits cristaux de semence de qualité suffisante jusqu'à ce que leur taille augmente par sublimation dans une cavité isotherme contenant des sources cristallines de carbure de silicium ; le chauffage s'effectue à des températures inférieures à celles utilisées pour sublimer les grains, ce qui crée un gradient de température, fournissant des surfaces de croissance au sein de cet espace isotherme pour que ces semences plus grandes puissent se développer.

Dans ce mode de réalisation préféré, le système 10 comprend un susceptor ou creuset à carbone fermé 12 avec un revêtement en carbone (de préférence en graphite) à son extrémité scellée et un espace central vide défini par celui-ci. Un appareil de chauffage par induction 24 est généralement utilisé comme source de chaleur primaire pour initier la sublimation du carbure de silicium à partir de son matériau source.

Le revêtement en carbone des creusets doit avoir un rapport Si/C élevé afin de réagir avec la vapeur de Si libre produite lors de la sublimation du SiC et de réduire son élimination du processus. Les réactions d'hydrocarbures peuvent obstruer les installations et perturber le fonctionnement des appareils de chauffage par induction ; pour protéger les installations et le fonctionnement des appareils de chauffage par induction contre cette menace potentielle, un gaz protecteur tel que l'argon est souvent diffusé à travers les extrémités fermées des creusets afin de créer une atmosphère propice au chauffage des matériaux précurseurs en toute sécurité.

Dépôt chimique en phase vapeur

Le dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD, est une technique de fabrication utilisée pour former des films en introduisant des composés précurseurs dans une chambre où ils réagissent ensemble et se déposent sur les surfaces des substrats. Qu'il s'agisse de créer des revêtements argentés sur les sacs de chips ou de fabriquer des équipements électroniques complexes, le dépôt en phase vapeur reste une technique de fabrication précieuse qui ne cesse de s'étendre et de s'affiner.

Les procédés de fabrication du carbure de silicium tels que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) permettent de créer des produits d'une durabilité supérieure qui résistent aux températures élevées, à l'exposition aux radiations et à l'érosion chimique. En outre, les ingénieurs concepteurs préfèrent souvent le carbure de silicium en raison de sa résistance électrique plus faible, de l'ordre d'un ohm par cm.

Contrairement aux procédés d'oxydation thermique utilisés pour produire du dioxyde de silicium, qui consomment une partie de ce qu'ils recouvrent, les procédés CVD pour le carbure de silicium peuvent être réalisés sur n'importe quel matériau semi-conducteur cristallin. Ils combinent du méthyltrichlorosilane (MTS) décomposé avec de l'hydrogène à température élevée et une pression réduite à température élevée pour produire des cristaux de SiC pur d'une densité théorique supérieure à 90%.

Les systèmes HTCVD de TevTech combinent un système d'alimentation en vapeur MTS avec des contrôles précis de la température, de la pression et du positionnement du substrat pour produire une qualité et une uniformité inégalées dans les films SiC CVD. Cela vous permet de maximiser leur utilisation pour votre application.

Frittage thermique

Le frittage est un procédé polyvalent utilisé pour donner forme à des matériaux tels que les céramiques et les carbures cémentés, les métaux et les polymères. Le frittage peut également produire du carbure de silicium fritté qui a de nombreuses applications ; par exemple, des structures plates telles que des substrats électroniques ou des statues en porcelaine (moulage en bande), des pièces tridimensionnelles telles que des faces de joints mécaniques ou des boîtiers de montres, ou encore des prototypes uniques peuvent tous être produits à l'aide de cette technique.

Avant le frittage, la poudre de carbure de silicium doit d'abord être façonnée dans la forme souhaitée à l'aide de l'un des différents procédés. Le compactage sous pression est souvent la technique préférée pour les formes les plus simples ; le moulage par injection doit être envisagé pour les formes plus complexes. D'autres technologies existent pour façonner des structures longues et minces telles que des cartes de circuits électroniques ou des recharges pour porte-mines.

Les procédés de coulée en gel consistent à mélanger le matériau en poudre avec de l'eau ou un solvant non aqueux, un dispersant et un adjuvant de dispersion pour former une boue céramique. Un vide partiel est ensuite appliqué pour éliminer les bulles d'air qui pourraient créer des défauts dans le produit final, avant d'ajouter des initiateurs de polymérisation chimiques qui permettent aux monomères de se lier entre eux pour former un gel polymère-eau caoutchouteux.

La boue est coulée dans des moules en métal, en verre, en plastique ou en cire pour être chauffée à des températures de frittage afin de créer un état liquide fondu - généralement composé de fluorine, mais parfois d'autres compositions capables de fondre à cette température et d'offrir également une conductivité électrique.