Carbure de silicium synthétique

Le carbure de silicium, plus communément appelé corindon, est un matériau dur largement utilisé dans les applications techniques. Grâce à ses propriétés supérieures de solidité, de durabilité, d'inertie chimique et de résistance à la chaleur, il constitue un excellent choix de matériau pour les environnements difficiles et les moteurs à hautes performances.

De nombreuses méthodes ont été conçues pour synthétiser le SiC, telles que la méthode Acheson, le procédé Lely et le dépôt chimique en phase vapeur.

Dépôt chimique en phase vapeur

Le dépôt en phase vapeur du carbure de silicium est un processus de fabrication inestimable utilisé pour les semi-conducteurs, la catalyse et les applications de stockage d'énergie. Cette méthode de dépôt utilise la phase vapeur de réactions chimiques contrôlées pour déposer des couches minces sur des substrats à des températures allant jusqu'à 1 400 degrés Celsius ou sous forme de plasma à des températures plus basses avec des taux de dépôt encore élevés.

Le matériau déposé peut prendre différentes formes et tailles ; sa surface peut être lisse ou texturée. Les propriétés du film peuvent également être ajustées en modifiant la température de dépôt. Divers gaz de préparation sont utilisés pendant le dépôt, tels que le silane (SiH4), le disilane (Si2H6) et le tétrachlorosilane, ainsi que des précurseurs de carbone tels que le méthane (CH4), l'acétone (C2H6), le propane (C3H8), la méthine/toluène/toluène (C7H8), l'hexane (C6H14), le chlorure de méthyle (CH3), le tétrachlorure de carbone (CCl4), etc. Pour des résultats optimaux dans les systèmes PECVD tels que les systèmes de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).

La PECVD consiste à envoyer du gaz à basse pression dans une chambre de dépôt à moins de 1,3 kPa, où l'énergie électrique est appliquée afin d'activer son flux et de générer un plasma à décharge lumineuse composé d'électrons, d'ions et d'espèces excitées électroniquement qui décomposent et vaporisent les molécules réactives avant de réagir avec le substrat chauffé pour former des films minces.

Le b-SiC déposé peut transmettre la lumière dans les longueurs d'onde du spectre visible et infrarouge. En outre, sa résistivité électrique doit atteindre ou dépasser 500 Ohm-cm-cm ; 1000 Ohm-cm-cm serait encore mieux. Ces caractéristiques distinguent le b-SiC produit par synthèse en vrac, qui reste invariablement opaque et absorbe et diffuse la lumière à ces longueurs d'onde. La présente invention porte sur la mise au point d'un procédé de production de b-SiC synthétique qui est à la fois très transparent et présente des propriétés mécaniques souhaitables, notamment la dureté. Des approches de modélisation prédictive ont été de plus en plus développées pour représenter les phénomènes de transport et la chimie, depuis les descriptions thermodynamiques et cinétiques pures jusqu'aux modèles de transport de masse.

Décomposition thermique

Les réactions chimiques nécessaires à la création du carbure de silicium synthétique (SiC) impliquent des températures élevées, et il convient donc d'être prudent lors de leur réalisation dans une zone bien ventilée. Des équipements de sécurité appropriés, tels que des gants résistants à la chaleur et des lunettes de protection, doivent également être portés au cours de ce processus, ainsi que des hottes et des conduits de ventilation appropriés afin d'éviter d'inhaler les vapeurs qui peuvent être libérées au cours de ce processus de réaction.

À une température approximative de 900 degrés Celsius, le silicium (Si) est chauffé jusqu'à son point de fusion d'environ 905 degrés Celsius. À ce stade, le SiC commence à se décomposer en gaz de dioxyde de carbone et d'hydrogène qui réagissent ensuite avec les molécules d'eau pour former des composés gazeux de dioxyde de silicium comme le SiO2. Lorsqu'il est chauffé davantage, l'hydrogène se lie aux molécules d'oxygène présentes dans l'air pour former l'oxycarbure de silicium solide SiO2, qui subsiste après le séchage et le durcissement.

L'oxycarbure de SiC solide forme des blocs de céramique dure lorsqu'il se refroidit, constituant ainsi une armure pare-balles contre les balles ou toute autre substance nocive. Ce matériau offre une protection fiable.

L'oxycarbure de silicium a de nombreuses utilisations autres que la résistance à l'usure, notamment la création de matériaux résistants à l'usure et à la corrosion. Par exemple, il peut être utilisé comme matériau d'isolation à l'intérieur des cuves d'électrolyse de l'aluminium et des fours de fusion du cuivre, ainsi que pour fabriquer des tuyères de fusée et des pales de turbines à gaz.

Contrairement à son homologue minéral naturel, qui n'apparaît qu'à l'état de traces dans certaines météorites et certains gisements de corindon, la majeure partie du SiC vendu dans le monde est produite synthétiquement à l'aide de divers procédés - en particulier lorsqu'il est taillé et vendu sous forme de gemmes en Moissanite.

Le carbure de silicium synthétique peut être produit par décomposition thermique et sa stabilité thermique en fait un matériau de choix pour les applications industrielles qui exigent des niveaux de chaleur et de tension élevés.

La décomposition thermique produit des cristaux uniques plus grands que les autres méthodes, qui peuvent ensuite être coupés et polis pour obtenir les types de carbure de silicium souhaités à des fins industrielles. En outre, la décomposition thermique permet de créer différents polytypes de carbure de silicium qui dépendent de la manière dont les couches atomiques s'empilent ; ces variétés peuvent alors être classées comme étant de forme cubique, hexagonale ou rhomboédrique.

Oxydation

Le carbure de silicium est inerte et ne réagit pas avec la plupart des acides (chlorhydrique, sulfurique ou fluorhydrique) ou des bases. Toutefois, à des températures supérieures à 900 degrés Celsius, il s'oxyde dans l'air pour produire du SiO2, ce que l'on appelle l'oxydation sèche. La cinétique et les modèles d'oxydation sèche ont fait l'objet de recherches approfondies, notamment le modèle de Deal et Grove qui décrit simultanément les mécanismes contrôlés par la diffusion et les processus contrôlés par la surface en utilisant deux constantes, l'une parabolique et l'autre linéaire (l'une représentant les mécanismes contrôlés par la diffusion et l'autre les processus de surface)[13]. [13]

L'oxydation du carbure de silicium comporte plusieurs étapes. L'étape initiale consiste à créer un défaut de carbonyle sur un site de liaison oxygène-Si et à désorber le dioxyde de carbone. Les calculs DFT révèlent que cette étape a une énergie d'activation de 350kJ/mol et qu'elle est d'autant plus rapide que la température est élevée ; sa vitesse diminue en présence de nitrures.

Après l'oxydation des défauts carbonylés, un film d'oxyde se forme et sert d'initiateur à une oxydation plus poussée. Vient ensuite la croissance de couches continues de cristaux sphérulitiques connus sous le nom de cristobalite, dont la dispersion dans une matrice amorphe augmente localement les joints de grains tout en ralentissant le taux d'oxydation.

La cristobalite peut également être produite à l'aide d'autres procédés, notamment le procédé de four électrique de Lely qui combine le silicium liquide et le carbone. La cristobalite peut être fabriquée dans différentes formes, tailles et densités, avec des propriétés thermiques et mécaniques impressionnantes et une inertie chimique.

Les matériaux fabriqués à partir de graphène ont trouvé une large application, notamment dans les turbines à gaz où ils remplacent les aubes et les ailettes en superalliage de nickel. Avec son coefficient de température négatif à température ambiante et positif à des températures plus élevées, le graphène est un excellent choix de matériau pour les éléments chauffants à haute température et divers dopants peuvent être ajoutés pour améliorer sa conductivité électrique.

Dépôt physique en phase vapeur

Le carbure de silicium (SiC), grâce à sa combinaison de propriétés physiques, chimiques, mécaniques et électriques souhaitables, est devenu un système de matériaux attrayant. La large bande interdite accordable du carbure de silicium, sa faible densité et sa résistance, combinées à sa conductivité thermique et à sa résistance aux chocs, ont largement contribué à son succès et à ses recherches [1]. Le SiC reste au centre d'intenses recherches dans le monde entier [2-3].

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) offre la possibilité de produire du SiC avec une transmission optique, une pureté et une résistivité électrique supérieures, sous la forme de films minces autonomes fabriqués par des procédés de dépôt chimique en phase vapeur ; cependant, les procédés CVD fonctionnent généralement à des températures élevées, ce qui peut compromettre la qualité des films.

Les chercheurs avancent à grands pas dans le développement de techniques de dépôt chimique en phase vapeur à basse température pour produire des films de SiC, en utilisant comme méthodes le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), le dépôt chimique en phase vapeur par résonance cyclotronique électronique, la pulvérisation magnétron et le dépôt par laser pulsé. La sélection des précurseurs, le mélange de gaz utilisé pendant le processus de dépôt et la température du substrat peuvent tous avoir une influence significative sur les caractéristiques du film final.

Récemment, la production par dépôt en phase vapeur (CVD) de couches minces de SiC destinées aux systèmes MEMS/NEMS et à d'autres applications a suscité un intérêt croissant. Malheureusement, les méthodes conventionnelles de dépôt en phase vapeur nécessitent des températures de l'ordre de 1 400 à 1 500 degrés Celsius - bien au-delà de son point de fusion - ce qui rend la production difficile.

La croissance CVD du SiC peut générer des contaminants tels que l'oxygène et l'azote à partir de sa source de gaz de dépôt. Ces adatomes (contaminants) peuvent dégrader les films au fil du temps, entraînant une décoloration et des problèmes d'adhérence.

Le dépôt physique en phase vapeur (PVD) est une alternative au CVD qui fonctionne sans solvants, éliminant ainsi les impuretés. La technologie PVD peut être utilisée pour déposer divers métaux, alliages et diélectriques.

La technologie PVD a été utilisée pour déposer des films bipolaires de bi2Te3 et de Sb2Te3 sur des substrats de polyéthylène téréphtalate (PET) afin de produire des générateurs thermoélectriques pliables (f-TEG). Ces films déposés par PVD présentent une résistance interne plus faible que les générateurs thermoélectriques pliables construits à partir de substrats PET non plissés.