સેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રમાં ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા SiC સિરામિક્સની માંગ અને ઉપયોગ

હાલમાં,સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC)એક થર્મલી વાહક સિરામિક સામગ્રી છે જેનો દેશ અને વિદેશમાં સક્રિયપણે અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. SiC ની સૈદ્ધાંતિક થર્મલ વાહકતા ખૂબ ઊંચી છે, અને કેટલાક સ્ફટિક સ્વરૂપો 270W/mK સુધી પહોંચી શકે છે, જે પહેલાથી જ બિન-વાહક સામગ્રીમાં અગ્રણી છે. ઉદાહરણ તરીકે, SiC થર્મલ વાહકતાનો ઉપયોગ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના સબસ્ટ્રેટ મટિરિયલ્સ, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિરામિક મટિરિયલ્સ, સેમિકન્ડક્ટર પ્રોસેસિંગ માટે હીટર અને હીટિંગ પ્લેટ્સ, ન્યુક્લિયર ઇંધણ માટે કેપ્સ્યુલ મટિરિયલ્સ અને કોમ્પ્રેસર પંપ માટે ગેસ સીલિંગ રિંગ્સમાં જોઈ શકાય છે.

ની અરજીસિલિકોન કાર્બાઇડસેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રમાં

સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં સિલિકોન વેફરના ઉત્પાદન માટે ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્ક અને ફિક્સર મહત્વપૂર્ણ પ્રક્રિયા સાધનો છે. જો ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્ક કાસ્ટ આયર્ન અથવા કાર્બન સ્ટીલથી બનેલી હોય, તો તેની સેવા જીવન ટૂંકી હોય છે અને તેનો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક મોટો હોય છે. સિલિકોન વેફરની પ્રક્રિયા દરમિયાન, ખાસ કરીને હાઇ-સ્પીડ ગ્રાઇન્ડીંગ અથવા પોલિશિંગ દરમિયાન, ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્કના ઘસારો અને થર્મલ વિકૃતિને કારણે, સિલિકોન વેફરની સપાટતા અને સમાંતરતાની ખાતરી આપવી મુશ્કેલ છે. ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્ક બનેલીસિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સતેની ઊંચી કઠિનતાને કારણે તેમાં ઘસારો ઓછો હોય છે, અને તેનો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક મૂળભૂત રીતે સિલિકોન વેફર જેટલો જ હોય ​​છે, તેથી તેને ઉચ્ચ ઝડપે ગ્રાઉન્ડ અને પોલિશ કરી શકાય છે.

વધુમાં, જ્યારે સિલિકોન વેફર્સનું ઉત્પાદન કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેમને ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવારમાંથી પસાર થવાની જરૂર પડે છે અને ઘણીવાર સિલિકોન કાર્બાઇડ ફિક્સરનો ઉપયોગ કરીને પરિવહન કરવામાં આવે છે. તે ગરમી-પ્રતિરોધક અને બિન-વિનાશક હોય છે. કાર્યક્ષમતા વધારવા, વેફરના નુકસાનને ઘટાડવા અને દૂષણને ફેલાતું અટકાવવા માટે સપાટી પર હીરા જેવા કાર્બન (DLC) અને અન્ય કોટિંગ્સ લાગુ કરી શકાય છે.

વધુમાં, ત્રીજી પેઢીના વાઇડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સના પ્રતિનિધિ તરીકે, સિલિકોન કાર્બાઇડ સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ્સમાં મોટી બેન્ડગેપ પહોળાઈ (Si કરતા લગભગ 3 ગણી), ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (Si કરતા લગભગ 3.3 ગણી અથવા GaA કરતા 10 ગણી), ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન સંતૃપ્તિ સ્થળાંતર દર (Si કરતા લગભગ 2.5 ગણી) અને ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ (Si કરતા લગભગ 10 ગણી અથવા GaA કરતા 5 ગણી) જેવા ગુણધર્મો છે. SiC ઉપકરણો વ્યવહારિક એપ્લિકેશનોમાં પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ ડિવાઇસની ખામીઓને ભરપાઈ કરે છે અને ધીમે ધીમે પાવર સેમિકન્ડક્ટરનો મુખ્ય પ્રવાહ બની રહ્યા છે.

ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા ધરાવતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની માંગમાં નાટ્યાત્મક વધારો થયો છે.

વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજીના સતત વિકાસ સાથે, સેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રમાં સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સના ઉપયોગની માંગમાં નાટ્યાત્મક વધારો થયો છે, અને ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન સાધનોના ઘટકોમાં તેના ઉપયોગ માટે એક મુખ્ય સૂચક છે. તેથી, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સ પર સંશોધનને મજબૂત બનાવવું મહત્વપૂર્ણ છે. જાળીમાં ઓક્સિજનનું પ્રમાણ ઘટાડવું, ઘનતામાં સુધારો કરવો અને જાળીમાં બીજા તબક્કાના વિતરણને વ્યાજબી રીતે નિયંત્રિત કરવું એ સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા સુધારવા માટેની મુખ્ય પદ્ધતિઓ છે.

હાલમાં, મારા દેશમાં ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સ પર થોડા અભ્યાસો છે, અને વિશ્વ સ્તરની તુલનામાં હજુ પણ મોટો તફાવત છે. ભવિષ્યના સંશોધન દિશાઓમાં શામેલ છે:
● સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક પાવડરની તૈયારી પ્રક્રિયા સંશોધનને મજબૂત બનાવો. ઉચ્ચ શુદ્ધતા, ઓછી ઓક્સિજનવાળા સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવડરની તૈયારી એ ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની તૈયારી માટેનો આધાર છે;
● સિન્ટરિંગ સહાયકો અને સંબંધિત સૈદ્ધાંતિક સંશોધનની પસંદગીને મજબૂત બનાવવી;
● ઉચ્ચ કક્ષાના સિન્ટરિંગ સાધનોના સંશોધન અને વિકાસને મજબૂત બનાવો. વાજબી માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર મેળવવા માટે સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાને નિયમન કરીને, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સ મેળવવા માટે તે જરૂરી સ્થિતિ છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા સુધારવા માટેના પગલાં

SiC સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા સુધારવા માટેની ચાવી ફોનોન સ્કેટરિંગ ફ્રીક્વન્સી ઘટાડવા અને ફોનોન મીન ફ્રી પાથ વધારવાનો છે. SiC સિરામિક્સની છિદ્રાળુતા અને અનાજની સીમા ઘનતા ઘટાડીને, SiC અનાજની સીમાઓની શુદ્ધતામાં સુધારો કરીને, SiC જાળીની અશુદ્ધિઓ અથવા જાળીની ખામીઓ ઘટાડીને અને SiCમાં ગરમી પ્રવાહ ટ્રાન્સમિશન વાહક વધારીને SiC ની થર્મલ વાહકતા અસરકારક રીતે સુધારવામાં આવશે. હાલમાં, સિન્ટરિંગ એઇડ્સના પ્રકાર અને સામગ્રીને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા અને ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર એ SiC સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતાને સુધારવા માટેના મુખ્ય પગલાં છે.

① સિન્ટરિંગ એઇડ્સના પ્રકાર અને સામગ્રીને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવી

ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા ધરાવતા SiC સિરામિક્સ તૈયાર કરતી વખતે ઘણીવાર વિવિધ સિન્ટરિંગ એઇડ્સ ઉમેરવામાં આવે છે. તેમાંથી, સિન્ટરિંગ એઇડ્સના પ્રકાર અને સામગ્રીનો SiC સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા પર મોટો પ્રભાવ પડે છે. ઉદાહરણ તરીકે, Al2O3 સિસ્ટમ સિન્ટરિંગ એઇડ્સમાં Al અથવા O તત્વો સરળતાથી SiC જાળીમાં ઓગળી જાય છે, જેના પરિણામે ખાલી જગ્યાઓ અને ખામીઓ થાય છે, જેના કારણે ફોનોન સ્કેટરિંગ ફ્રીક્વન્સીમાં વધારો થાય છે. વધુમાં, જો સિન્ટરિંગ એઇડ્સની સામગ્રી ઓછી હોય, તો સામગ્રીને સિન્ટર અને ડેન્સિફાય કરવી મુશ્કેલ બને છે, જ્યારે સિન્ટરિંગ એઇડ્સની ઉચ્ચ સામગ્રી અશુદ્ધિઓ અને ખામીઓમાં વધારો તરફ દોરી જશે. વધુ પડતા પ્રવાહી તબક્કાના સિન્ટરિંગ એઇડ્સ SiC અનાજના વિકાસને પણ અટકાવી શકે છે અને ફોનોન્સના સરેરાશ મુક્ત માર્ગને ઘટાડી શકે છે. તેથી, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા ધરાવતા SiC સિરામિક્સ તૈયાર કરવા માટે, સિન્ટરિંગ ઘનતાની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરતી વખતે સિન્ટરિંગ એઇડ્સની સામગ્રીને શક્ય તેટલી ઓછી કરવી જરૂરી છે, અને SiC જાળીમાં ઓગળવા મુશ્કેલ હોય તેવા સિન્ટરિંગ એઇડ્સ પસંદ કરવાનો પ્રયાસ કરવો જરૂરી છે.

*જ્યારે વિવિધ સિન્ટરિંગ એઇડ્સ ઉમેરવામાં આવે છે ત્યારે SiC સિરામિક્સના થર્મલ ગુણધર્મો

હાલમાં, BeO સાથે સિન્ટરિંગ સહાય તરીકે ગરમ દબાયેલા SiC સિરામિક્સમાં મહત્તમ રૂમ-તાપમાન થર્મલ વાહકતા (270W·m-1·K-1) હોય છે. જો કે, BeO એક અત્યંત ઝેરી અને કાર્સિનોજેનિક પદાર્થ છે, અને પ્રયોગશાળાઓ અથવા ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક ઉપયોગ માટે યોગ્ય નથી. Y2O3-Al2O3 સિસ્ટમનો સૌથી નીચો યુટેક્ટિક બિંદુ 1760℃ છે, જે SiC સિરામિક્સ માટે સામાન્ય પ્રવાહી-તબક્કા સિન્ટરિંગ સહાય છે. જો કે, Al3+ સરળતાથી SiC જાળીમાં ઓગળી જાય છે, જ્યારે આ સિસ્ટમનો ઉપયોગ સિન્ટરિંગ સહાય તરીકે થાય છે, ત્યારે SiC સિરામિક્સની રૂમ-તાપમાન થર્મલ વાહકતા 200W·m-1·K-1 કરતા ઓછી હોય છે.

દુર્લભ પૃથ્વી તત્વો જેમ કે Y, Sm, Sc, Gd અને La SiC જાળીમાં સરળતાથી દ્રાવ્ય નથી અને તેમાં ઉચ્ચ ઓક્સિજન આકર્ષણ હોય છે, જે SiC જાળીના ઓક્સિજનનું પ્રમાણ અસરકારક રીતે ઘટાડી શકે છે. તેથી, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) સિસ્ટમ ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (>200W·m-1·K-1) SiC સિરામિક્સ તૈયાર કરવા માટે એક સામાન્ય સિન્ટરિંગ સહાય છે. Y2O3-Sc2O3 સિસ્ટમ સિન્ટરિંગ સહાયને ઉદાહરણ તરીકે લેતા, Y3+ અને Si4+ નું આયન વિચલન મૂલ્ય મોટું છે, અને બંને ઘન દ્રાવણમાંથી પસાર થતા નથી. 1800~2600℃ પર શુદ્ધ SiC માં Sc ની દ્રાવ્યતા નાની છે, લગભગ (2~3)×1017 અણુઓ·cm-3.

② ઉચ્ચ તાપમાન ગરમી સારવાર

SiC સિરામિક્સની ઉચ્ચ તાપમાન ગરમીની સારવાર જાળી ખામીઓ, અવ્યવસ્થા અને અવશેષ તાણને દૂર કરવા, કેટલાક આકારહીન પદાર્થોના સ્ફટિકોમાં માળખાકીય રૂપાંતરને પ્રોત્સાહન આપવા અને ફોનોન સ્કેટરિંગ અસરને નબળી બનાવવા માટે અનુકૂળ છે. વધુમાં, ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર અસરકારક રીતે SiC અનાજના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપી શકે છે, અને આખરે સામગ્રીના થર્મલ ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 1950°C પર ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર પછી, SiC સિરામિક્સનો થર્મલ પ્રસરણ ગુણાંક 83.03mm2·s-1 થી વધીને 89.50mm2·s-1 થયો છે, અને રૂમ-તાપમાન થર્મલ વાહકતા 180.94W·m-1·K-1 થી વધીને 192.17W·m-1·K-1 થયો છે. ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર SiC સપાટી અને જાળી પર સિન્ટરિંગ સહાયની ડિઓક્સિડેશન ક્ષમતાને અસરકારક રીતે સુધારે છે, અને SiC અનાજ વચ્ચેના જોડાણને વધુ કડક બનાવે છે. ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર પછી, SiC સિરામિક્સની રૂમ-તાપમાન થર્મલ વાહકતામાં નોંધપાત્ર સુધારો થયો છે.