अर्धचालक क्षेत्र में उच्च तापीय चालकता वाले SiC सिरेमिक की मांग और अनुप्रयोग

वर्तमान में,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)एक ऊष्मीय रूप से प्रवाहकीय सिरेमिक सामग्री है जिसका देश और विदेश में सक्रिय रूप से अध्ययन किया जाता है। SiC की सैद्धांतिक ऊष्मीय चालकता बहुत अधिक है, और कुछ क्रिस्टल रूप 270W/mK तक पहुँच सकते हैं, जो पहले से ही गैर-प्रवाहकीय सामग्रियों में अग्रणी है। उदाहरण के लिए, SiC ऊष्मीय चालकता का अनुप्रयोग अर्धचालक उपकरणों की सब्सट्रेट सामग्री, उच्च तापीय चालकता सिरेमिक सामग्री, अर्धचालक प्रसंस्करण के लिए हीटर और हीटिंग प्लेट, परमाणु ईंधन के लिए कैप्सूल सामग्री और कंप्रेसर पंपों के लिए गैस सीलिंग रिंग में देखा जा सकता है।

आवेदनसिलिकन कार्बाइडअर्धचालक क्षेत्र में

सेमीकंडक्टर उद्योग में सिलिकॉन वेफर उत्पादन के लिए पीसने वाली डिस्क और फिक्स्चर महत्वपूर्ण प्रक्रिया उपकरण हैं। यदि पीसने वाली डिस्क कच्चा लोहा या कार्बन स्टील से बनी है, तो इसका सेवा जीवन छोटा है और इसका थर्मल विस्तार गुणांक बड़ा है। सिलिकॉन वेफर्स के प्रसंस्करण के दौरान, विशेष रूप से उच्च गति पीसने या चमकाने के दौरान, पीसने वाली डिस्क के पहनने और थर्मल विरूपण के कारण, सिलिकॉन वेफर की समतलता और समानांतरता की गारंटी देना मुश्किल है। पीसने वाली डिस्क से बना हैसिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकइसकी उच्च कठोरता के कारण इसमें कम घिसाव होता है, और इसका तापीय विस्तार गुणांक मूलतः सिलिकॉन वेफर्स के समान ही होता है, इसलिए इसे उच्च गति पर पीसकर पॉलिश किया जा सकता है।

इसके अलावा, जब सिलिकॉन वेफ़र्स का उत्पादन किया जाता है, तो उन्हें उच्च तापमान वाले ताप उपचार से गुजरना पड़ता है और अक्सर सिलिकॉन कार्बाइड फिक्स्चर का उपयोग करके परिवहन किया जाता है। वे गर्मी प्रतिरोधी और गैर-विनाशकारी होते हैं। प्रदर्शन को बढ़ाने, वेफ़र क्षति को कम करने और संदूषण को फैलने से रोकने के लिए सतह पर डायमंड-लाइक कार्बन (डीएलसी) और अन्य कोटिंग्स लगाई जा सकती हैं।

इसके अलावा, तीसरी पीढ़ी के वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्रियों के प्रतिनिधि के रूप में, सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल सामग्रियों में बड़े बैंडगैप चौड़ाई (Si से लगभग 3 गुना), उच्च तापीय चालकता (Si से लगभग 3.3 गुना या GaAs से 10 गुना), उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति प्रवास दर (Si से लगभग 2.5 गुना) और उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र (Si से लगभग 10 गुना या GaAs से 5 गुना) जैसे गुण होते हैं। SiC उपकरण व्यावहारिक अनुप्रयोगों में पारंपरिक अर्धचालक सामग्री उपकरणों के दोषों की भरपाई करते हैं और धीरे-धीरे पावर सेमीकंडक्टर की मुख्यधारा बन रहे हैं।

उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की मांग में नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है

विज्ञान और प्रौद्योगिकी के निरंतर विकास के साथ, अर्धचालक क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के अनुप्रयोग की मांग नाटकीय रूप से बढ़ गई है, और उच्च तापीय चालकता अर्धचालक विनिर्माण उपकरण घटकों में इसके अनुप्रयोग के लिए एक महत्वपूर्ण संकेतक है। इसलिए, उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पर अनुसंधान को मजबूत करना महत्वपूर्ण है। जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करना, घनत्व में सुधार करना और जाली में दूसरे चरण के वितरण को उचित रूप से विनियमित करना सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार करने के मुख्य तरीके हैं।

वर्तमान में, मेरे देश में उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पर कुछ अध्ययन हैं, और विश्व स्तर की तुलना में अभी भी एक बड़ा अंतर है। भविष्य के अनुसंधान दिशा-निर्देशों में शामिल हैं:
●सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पाउडर की तैयारी प्रक्रिया अनुसंधान को मजबूत करें। उच्च शुद्धता, कम ऑक्सीजन वाले सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर की तैयारी उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तैयारी का आधार है;
● सिंटरिंग सहायता और संबंधित सैद्धांतिक अनुसंधान के चयन को मजबूत करना;
●उच्च-स्तरीय सिंटरिंग उपकरणों के अनुसंधान और विकास को मजबूत करना। उचित माइक्रोस्ट्रक्चर प्राप्त करने के लिए सिंटरिंग प्रक्रिया को विनियमित करके, उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक प्राप्त करना एक आवश्यक शर्त है।

सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार के उपाय

SiC सिरेमिक की ऊष्मीय चालकता में सुधार करने की कुंजी फोनन बिखराव आवृत्ति को कम करना और फोनन माध्य मुक्त पथ को बढ़ाना है। SiC सिरेमिक की छिद्रता और अनाज सीमा घनत्व को कम करके, SiC अनाज सीमाओं की शुद्धता में सुधार करके, SiC जाली अशुद्धियों या जाली दोषों को कम करके और SiC में ऊष्मा प्रवाह संचरण वाहक को बढ़ाकर SiC की ऊष्मीय चालकता को प्रभावी ढंग से सुधारा जाएगा। वर्तमान में, सिंटरिंग एड्स और उच्च तापमान वाले ताप उपचार के प्रकार और सामग्री को अनुकूलित करना SiC सिरेमिक की ऊष्मीय चालकता में सुधार करने के मुख्य उपाय हैं।

① सिंटरिंग सहायता के प्रकार और सामग्री का अनुकूलन

उच्च तापीय चालकता वाले SiC सिरेमिक तैयार करते समय अक्सर विभिन्न सिंटरिंग एड्स मिलाए जाते हैं। उनमें से, सिंटरिंग एड्स के प्रकार और सामग्री का SiC सिरेमिक की तापीय चालकता पर बहुत प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, Al2O3 सिस्टम सिंटरिंग एड्स में Al या O तत्व आसानी से SiC जाली में घुल जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप रिक्तियां और दोष उत्पन्न होते हैं, जिससे फोनन बिखरने की आवृत्ति में वृद्धि होती है। इसके अलावा, यदि सिंटरिंग एड्स की सामग्री कम है, तो सामग्री को सिंटर करना और सघन करना मुश्किल है, जबकि सिंटरिंग एड्स की उच्च सामग्री अशुद्धियों और दोषों में वृद्धि करेगी। अत्यधिक तरल चरण सिंटरिंग एड्स भी SiC अनाज के विकास को बाधित कर सकते हैं और फोनन के औसत मुक्त पथ को कम कर सकते हैं। इसलिए, उच्च तापीय चालकता वाले SiC सिरेमिक तैयार करने के लिए, सिंटरिंग घनत्व की आवश्यकताओं को पूरा करते हुए सिंटरिंग एड्स की सामग्री को यथासंभव कम करना आवश्यक है, और ऐसे सिंटरिंग एड्स को चुनने का प्रयास करना चाहिए जिन्हें SiC जाली में घुलना मुश्किल हो।

*जब विभिन्न सिंटरिंग सहायक सामग्री मिलाई जाती है तो SiC सिरेमिक के ऊष्मीय गुण

वर्तमान में, सिंटरिंग सहायता के रूप में BeO के साथ सिंटर किए गए गर्म-दबाए गए SiC सिरेमिक में अधिकतम कमरे के तापमान की तापीय चालकता (270W·m-1·K-1) होती है। हालाँकि, BeO एक अत्यधिक विषैला पदार्थ और कैंसरकारी पदार्थ है, और प्रयोगशालाओं या औद्योगिक क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त नहीं है। Y2O3-Al2O3 प्रणाली का सबसे कम यूटेक्टिक बिंदु 1760℃ है, जो SiC सिरेमिक के लिए एक सामान्य तरल-चरण सिंटरिंग सहायता है। हालाँकि, चूँकि Al3+ आसानी से SiC जाली में घुल जाता है, जब इस प्रणाली का उपयोग सिंटरिंग सहायता के रूप में किया जाता है, तो SiC सिरेमिक की कमरे के तापमान की तापीय चालकता 200W·m-1·K-1 से कम होती है।

Y, Sm, Sc, Gd और La जैसे दुर्लभ मृदा तत्व SiC जाली में आसानी से घुलनशील नहीं होते हैं और इनमें उच्च ऑक्सीजन आत्मीयता होती है, जो SiC जाली की ऑक्सीजन सामग्री को प्रभावी रूप से कम कर सकती है। इसलिए, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली उच्च तापीय चालकता (>200W·m-1·K-1) SiC सिरेमिक तैयार करने के लिए एक सामान्य सिंटरिंग सहायता है। Y2O3-Sc2O3 सिस्टम सिंटरिंग सहायता को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए, Y3+ और Si4+ का आयन विचलन मान बड़ा है, और दोनों ठोस समाधान से नहीं गुजरते हैं। 1800~2600℃ पर शुद्ध SiC में Sc की घुलनशीलता छोटी है, लगभग (2~3)×1017atoms·cm-3।

② उच्च तापमान गर्मी उपचार

SiC सिरेमिक का उच्च तापमान ताप उपचार जाली दोष, अव्यवस्था और अवशिष्ट तनाव को खत्म करने, कुछ अनाकार पदार्थों के क्रिस्टल में संरचनात्मक परिवर्तन को बढ़ावा देने और फोनन बिखराव प्रभाव को कमजोर करने के लिए अनुकूल है। इसके अलावा, उच्च तापमान ताप उपचार SiC अनाज के विकास को प्रभावी ढंग से बढ़ावा दे सकता है, और अंततः सामग्री के थर्मल गुणों में सुधार कर सकता है। उदाहरण के लिए, 1950 डिग्री सेल्सियस पर उच्च तापमान ताप उपचार के बाद, SiC सिरेमिक का थर्मल प्रसार गुणांक 83.03mm2·s-1 से बढ़कर 89.50mm2·s-1 हो गया, और कमरे के तापमान पर तापीय चालकता 180.94W·m-1·K-1 से बढ़कर 192.17W·m-1·K-1 हो गई। उच्च तापमान ताप उपचार SiC सतह और जाली पर सिंटरिंग सहायता की डीऑक्सीडेशन क्षमता को प्रभावी ढंग से सुधारता है, और SiC अनाज के बीच संबंध को मजबूत बनाता है। उच्च तापमान ताप उपचार के बाद, SiC सिरेमिक की कमरे के तापमान पर ऊष्मीय चालकता में काफी सुधार हुआ है।