সেমিকন্ডাক্টর ক্ষেত্রে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা SiC সিরামিকের চাহিদা এবং প্রয়োগ

বর্তমানে,সিলিকন কার্বাইড (SiC)এটি একটি তাপ পরিবাহী সিরামিক উপাদান যা দেশে এবং বিদেশে সক্রিয়ভাবে অধ্যয়ন করা হচ্ছে। SiC এর তাত্ত্বিক তাপ পরিবাহিতা খুব বেশি, এবং কিছু স্ফটিক ফর্ম 270W/mK এ পৌঁছাতে পারে, যা ইতিমধ্যেই অ-পরিবাহী উপকরণগুলির মধ্যে একটি শীর্ষস্থানীয়। উদাহরণস্বরূপ, SiC তাপ পরিবাহিতার প্রয়োগ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের সাবস্ট্রেট উপকরণ, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিরামিক উপকরণ, সেমিকন্ডাক্টর প্রক্রিয়াকরণের জন্য হিটার এবং হিটিং প্লেট, পারমাণবিক জ্বালানির জন্য ক্যাপসুল উপকরণ এবং কম্প্রেসার পাম্পের জন্য গ্যাস সিলিং রিংগুলিতে দেখা যায়।

প্রয়োগসিলিকন কার্বাইডঅর্ধপরিবাহী ক্ষেত্রে

সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে সিলিকন ওয়েফার উৎপাদনের জন্য গ্রাইন্ডিং ডিস্ক এবং ফিক্সচারগুলি গুরুত্বপূর্ণ প্রক্রিয়া সরঞ্জাম। যদি গ্রাইন্ডিং ডিস্কটি ঢালাই লোহা বা কার্বন ইস্পাত দিয়ে তৈরি হয়, তবে এর পরিষেবা জীবন কম এবং এর তাপীয় প্রসারণ সহগ বড়। সিলিকন ওয়েফার প্রক্রিয়াকরণের সময়, বিশেষ করে উচ্চ-গতির গ্রাইন্ডিং বা পলিশিংয়ের সময়, গ্রাইন্ডিং ডিস্কের ক্ষয় এবং তাপীয় বিকৃতির কারণে, সিলিকন ওয়েফারের সমতলতা এবং সমান্তরালতা নিশ্চিত করা কঠিন। গ্রাইন্ডিং ডিস্কটি তৈরিসিলিকন কার্বাইড সিরামিকউচ্চ কঠোরতার কারণে এর ক্ষয়ক্ষতি কম, এবং এর তাপীয় প্রসারণ সহগ মূলত সিলিকন ওয়েফারের মতোই, তাই এটিকে উচ্চ গতিতে গ্রাউন্ড এবং পালিশ করা যেতে পারে।

এছাড়াও, যখন সিলিকন ওয়েফার তৈরি করা হয়, তখন তাদের উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সার মধ্য দিয়ে যেতে হয় এবং প্রায়শই সিলিকন কার্বাইড ফিক্সচার ব্যবহার করে পরিবহন করা হয়। এগুলি তাপ-প্রতিরোধী এবং অ-ধ্বংসাত্মক। কর্মক্ষমতা বৃদ্ধি, ওয়েফারের ক্ষতি কমাতে এবং দূষণ ছড়িয়ে পড়া রোধ করতে পৃষ্ঠে হীরার মতো কার্বন (DLC) এবং অন্যান্য আবরণ প্রয়োগ করা যেতে পারে।

তদুপরি, তৃতীয় প্রজন্মের ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের প্রতিনিধি হিসেবে, সিলিকন কার্বাইড একক স্ফটিক উপকরণের বৈশিষ্ট্য রয়েছে যেমন বৃহৎ ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ (Si এর প্রায় 3 গুণ), উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (Si এর প্রায় 3.3 গুণ বা GaA এর 10 গুণ), উচ্চ ইলেকট্রন স্যাচুরেশন মাইগ্রেশন রেট (Si এর প্রায় 2.5 গুণ) এবং উচ্চ ব্রেকডাউন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র (Si এর প্রায় 10 গুণ বা GaA এর 5 গুণ)। SiC ডিভাইসগুলি ব্যবহারিক প্রয়োগে ঐতিহ্যবাহী সেমিকন্ডাক্টর উপাদান ডিভাইসের ত্রুটিগুলি পূরণ করে এবং ধীরে ধীরে পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টরের মূলধারায় পরিণত হচ্ছে।

উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের চাহিদা নাটকীয়ভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে

বিজ্ঞান ও প্রযুক্তির ক্রমাগত বিকাশের সাথে সাথে, সেমিকন্ডাক্টর ক্ষেত্রে সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের প্রয়োগের চাহিদা নাটকীয়ভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে এবং সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদন সরঞ্জামের উপাদানগুলিতে এর প্রয়োগের জন্য উচ্চ তাপ পরিবাহিতা একটি মূল সূচক। অতএব, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের উপর গবেষণা জোরদার করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। জালির অক্সিজেনের পরিমাণ হ্রাস করা, ঘনত্ব উন্নত করা এবং জালিতে দ্বিতীয় পর্যায়ের বিতরণকে যুক্তিসঙ্গতভাবে নিয়ন্ত্রণ করা হল সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার প্রধান পদ্ধতি।

বর্তমানে, আমার দেশে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের উপর খুব কম গবেষণা চলছে, এবং বিশ্ব স্তরের তুলনায় এখনও একটি বড় ব্যবধান রয়েছে। ভবিষ্যতের গবেষণার দিকনির্দেশনাগুলির মধ্যে রয়েছে:
● সিলিকন কার্বাইড সিরামিক পাউডারের প্রস্তুতি প্রক্রিয়া গবেষণা জোরদার করুন। উচ্চ-বিশুদ্ধতা, কম-অক্সিজেন সিলিকন কার্বাইড পাউডার তৈরি উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিক তৈরির ভিত্তি;
● সিন্টারিং সহায়ক উপকরণ এবং সম্পর্কিত তাত্ত্বিক গবেষণার নির্বাচন জোরদার করা;
● উচ্চমানের সিন্টারিং সরঞ্জামের গবেষণা ও উন্নয়ন জোরদার করা। একটি যুক্তিসঙ্গত মাইক্রোস্ট্রাকচার অর্জনের জন্য সিন্টারিং প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণ করে, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিক প্রাপ্তির জন্য এটি একটি প্রয়োজনীয় শর্ত।

সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার ব্যবস্থা

SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার মূল চাবিকাঠি হল ফোনন বিচ্ছুরণ ফ্রিকোয়েন্সি হ্রাস করা এবং ফোনন গড় মুক্ত পথ বৃদ্ধি করা। SiC সিরামিকের ছিদ্র এবং শস্য সীমানা ঘনত্ব হ্রাস করে, SiC শস্য সীমানার বিশুদ্ধতা উন্নত করে, SiC জালির অমেধ্য বা জালির ত্রুটি হ্রাস করে এবং SiC-তে তাপ প্রবাহ সংক্রমণ বাহক বৃদ্ধি করে SiC এর তাপ পরিবাহিতা কার্যকরভাবে উন্নত করা হবে। বর্তমানে, সিন্টারিং এইডের ধরণ এবং বিষয়বস্তু অপ্টিমাইজ করা এবং উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সা হল SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার প্রধান ব্যবস্থা।

① সিন্টারিং এইডের ধরণ এবং বিষয়বস্তু অপ্টিমাইজ করা

উচ্চ তাপ পরিবাহিতা SiC সিরামিক তৈরির সময় প্রায়শই বিভিন্ন সিন্টারিং এইড যোগ করা হয়। এর মধ্যে, সিন্টারিং এইডের ধরণ এবং উপাদান SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতার উপর একটি বড় প্রভাব ফেলে। উদাহরণস্বরূপ, Al2O3 সিস্টেমের সিন্টারিং এইডগুলিতে Al বা O উপাদানগুলি সহজেই SiC জালিতে দ্রবীভূত হয়, যার ফলে শূন্যস্থান এবং ত্রুটি দেখা দেয়, যার ফলে ফোনন বিচ্ছুরণ ফ্রিকোয়েন্সি বৃদ্ধি পায়। এছাড়াও, যদি সিন্টারিং এইডের পরিমাণ কম থাকে, তাহলে উপাদানটি সিন্টার করা এবং ঘন করা কঠিন হয়, অন্যদিকে সিন্টারিং এইডের উচ্চ পরিমাণ অমেধ্য এবং ত্রুটি বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করে। অতিরিক্ত তরল ফেজ সিন্টারিং এইডগুলি SiC শস্যের বৃদ্ধিকেও বাধা দিতে পারে এবং ফোননের গড় মুক্ত পথ হ্রাস করতে পারে। অতএব, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা SiC সিরামিক প্রস্তুত করার জন্য, সিন্টারিং ঘনত্বের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করার সময় সিন্টারিং এইডের পরিমাণ যতটা সম্ভব কমানো প্রয়োজন এবং SiC জালিতে দ্রবীভূত হওয়া কঠিন এমন সিন্টারিং এইডগুলি বেছে নেওয়ার চেষ্টা করা প্রয়োজন।

*বিভিন্ন সিন্টারিং এইড যোগ করা হলে SiC সিরামিকের তাপীয় বৈশিষ্ট্য

বর্তমানে, সিন্টারিং সহায়ক হিসেবে BeO দিয়ে সিন্টার করা হট-প্রেসড SiC সিরামিকের সর্বোচ্চ কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা (270W·m-1·K-1) থাকে। তবে, BeO একটি অত্যন্ত বিষাক্ত উপাদান এবং কার্সিনোজেনিক, এবং এটি পরীক্ষাগার বা শিল্প ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে প্রয়োগের জন্য উপযুক্ত নয়। Y2O3-Al2O3 সিস্টেমের সর্বনিম্ন ইউটেকটিক পয়েন্ট হল 1760℃, যা SiC সিরামিকের জন্য একটি সাধারণ তরল-পর্যায়ের সিন্টারিং সহায়ক। তবে, যেহেতু Al3+ সহজেই SiC জালিতে দ্রবীভূত হয়, তাই যখন এই সিস্টেমটি সিন্টারিং সহায়ক হিসেবে ব্যবহার করা হয়, তখন SiC সিরামিকের কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা 200W·m-1·K-1 এর কম হয়।

Y, Sm, Sc, Gd এবং La এর মতো বিরল পৃথিবী উপাদানগুলি SiC জালিতে সহজে দ্রবণীয় নয় এবং উচ্চ অক্সিজেন আকর্ষণ রয়েছে, যা কার্যকরভাবে SiC জালির অক্সিজেনের পরিমাণ হ্রাস করতে পারে। অতএব, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) সিস্টেম উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (>200W·m-1·K-1) SiC সিরামিক প্রস্তুত করার জন্য একটি সাধারণ সিন্টারিং সহায়ক। Y2O3-Sc2O3 সিস্টেম সিন্টারিং সহায়ককে উদাহরণ হিসাবে নিলে, Y3+ এবং Si4+ এর আয়ন বিচ্যুতি মান বড় এবং দুটি কঠিন দ্রবণের মধ্য দিয়ে যায় না। 1800~2600℃ তাপমাত্রায় বিশুদ্ধ SiC-তে Sc এর দ্রাব্যতা ছোট, প্রায় (2~3)×1017 পরমাণু·cm-3।

② উচ্চ তাপমাত্রা তাপ চিকিত্সা

SiC সিরামিকের উচ্চ তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সা জালির ত্রুটি, স্থানচ্যুতি এবং অবশিষ্ট চাপ দূর করতে সহায়ক, কিছু নিরাকার পদার্থের স্ফটিকের কাঠামোগত রূপান্তরকে উৎসাহিত করে এবং ফোনন বিচ্ছুরণ প্রভাবকে দুর্বল করে। এছাড়াও, উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সা কার্যকরভাবে SiC শস্যের বৃদ্ধিকে উৎসাহিত করতে পারে এবং শেষ পর্যন্ত উপাদানের তাপীয় বৈশিষ্ট্যগুলিকে উন্নত করতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, 1950°C তাপমাত্রায় উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সার পরে, SiC সিরামিকের তাপীয় বিস্তার সহগ 83.03mm2·s-1 থেকে 89.50mm2·s-1 এ বৃদ্ধি পেয়েছে এবং ঘর-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা 180.94W·m-1·K-1 থেকে 192.17W·m-1·K-1 এ বৃদ্ধি পেয়েছে। উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সা কার্যকরভাবে SiC পৃষ্ঠ এবং জালিতে সিন্টারিং এইডের ডিঅক্সিডেশন ক্ষমতা উন্নত করে এবং SiC শস্যের মধ্যে সংযোগকে আরও শক্ত করে তোলে। উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সার পরে, SiC সিরামিকের ঘর-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে।