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

वर्तमान में,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)SiC एक ऊष्मीय चालकता वाला सिरेमिक पदार्थ है जिस पर देश-विदेश में सक्रिय रूप से अध्ययन किया जा रहा है। इसकी सैद्धांतिक ऊष्मीय चालकता बहुत अधिक है, और इसके कुछ क्रिस्टल रूप 270 W/mK तक पहुँच सकते हैं, जो इसे गैर-चालक पदार्थों में अग्रणी बनाता है। उदाहरण के लिए, SiC की ऊष्मीय चालकता का उपयोग अर्धचालक उपकरणों के सब्सट्रेट पदार्थों, उच्च ऊष्मीय चालकता वाले सिरेमिक पदार्थों, अर्धचालक प्रसंस्करण के लिए हीटर और हीटिंग प्लेट, परमाणु ईंधन के लिए कैप्सूल पदार्थों और कंप्रेसर पंपों के लिए गैस सीलिंग रिंगों में देखा जा सकता है।

आवेदनसिलिकन कार्बाइडसेमीकंडक्टर क्षेत्र में

सेमीकंडक्टर उद्योग में सिलिकॉन वेफर उत्पादन के लिए ग्राइंडिंग डिस्क और फिक्स्चर महत्वपूर्ण प्रक्रिया उपकरण हैं। यदि ग्राइंडिंग डिस्क कच्चा लोहा या कार्बन स्टील से बनी हो, तो इसका सेवा जीवन कम होता है और इसका तापीय विस्तार गुणांक अधिक होता है। सिलिकॉन वेफर्स के प्रसंस्करण के दौरान, विशेष रूप से उच्च गति की ग्राइंडिंग या पॉलिशिंग के दौरान, ग्राइंडिंग डिस्क के घिसाव और तापीय विरूपण के कारण, सिलिकॉन वेफर की समतलता और समानांतरता सुनिश्चित करना कठिन हो जाता है।सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकअपनी उच्च कठोरता के कारण इसमें घिसावट कम होती है, और इसका तापीय विस्तार गुणांक मूल रूप से सिलिकॉन वेफर्स के समान होता है, इसलिए इसे उच्च गति पर पीसा और पॉलिश किया जा सकता है।

इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन वेफर्स के उत्पादन के दौरान, उन्हें उच्च तापमान पर ऊष्मा उपचार से गुजरना पड़ता है और अक्सर सिलिकॉन कार्बाइड फिक्स्चर का उपयोग करके उनका परिवहन किया जाता है। ये ऊष्मा प्रतिरोधी और गैर-विनाशकारी होते हैं। प्रदर्शन को बेहतर बनाने, वेफर को होने वाले नुकसान 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 पदार्थों के प्रतिनिधि के रूप में, सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल पदार्थों में बड़े बैंडगैप (सिलिकॉन की तुलना में लगभग 3 गुना), उच्च तापीय चालकता (सिलिकॉन की तुलना में लगभग 3.3 गुना या GaAs की तुलना में 10 गुना), उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति प्रवासन दर (सिलिकॉन की तुलना में लगभग 2.5 गुना) और उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र (सिलिकॉन की तुलना में लगभग 10 गुना या GaAs की तुलना में 5 गुना) जैसे गुण होते हैं। SiC उपकरण व्यावहारिक अनुप्रयोगों में पारंपरिक सेमीकंडक्टर पदार्थों से बने उपकरणों की कमियों को दूर करते हैं और धीरे-धीरे पावर सेमीकंडक्टरों की मुख्यधारा बनते जा 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 में नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है, और उच्च तापीय चालकता अर्धचालक निर्माण उपकरण घटकों में इसके अनुप्रयोग का एक प्रमुख संकेतक है। इसलिए, उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पर अनुसंधान को मजबूत करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तापीय चालकता को बढ़ाने के मुख्य तरीके हैं: जाली में ऑक्सीजन की मात्रा को कम करना, घनत्व में सुधार करना और जाली में द्वितीय चरण के वितरण को उचित रूप से नियंत्रित करना।

वर्तमान में, मेरे देश में उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पर बहुत कम अध्ययन हुए हैं, और विश्व स्तर की तुलना में अभी भी बहुत बड़ा अंतर है। भविष्य के अनुसंधान की दिशाएँ इस प्रकार हैं:
●सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पाउडर की तैयारी प्रक्रिया अनुसंधान को मजबूत करना। उच्च शुद्धता, कम ऑक्सीजन वाले सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर की तैयारी उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तैयारी का आधार है;
● सिंटरिंग सहायक पदार्थों के चयन और संबंधित सैद्धांतिक अनुसंधान को मजबूत करना;
●उच्च स्तरीय सिंटरिंग उपकरणों के अनुसंधान और विकास को मजबूत करना। उचित सूक्ष्म संरचना प्राप्त करने के लिए सिंटरिंग प्रक्रिया को विनियमित करना, उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक प्राप्त करने की एक आवश्यक शर्त है।

सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार के उपाय

SiC सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार का मुख्य उपाय फोनन प्रकीर्णन आवृत्ति को कम करना और फोनन माध्य मुक्त पथ को बढ़ाना है। SiC सिरेमिक की सरंध्रता और कण सीमा घनत्व को कम करके, SiC कण 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 तापीय चालकता में प्रभावी रूप से सुधार किया जा सकता है। वर्तमान में, सिंटरिंग सहायक पदार्थों के प्रकार और मात्रा को अनुकूलित करना और उच्च तापमान ताप उपचार SiC सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार के मुख्य उपाय हैं।

① सिंटरिंग सहायक पदार्थों के प्रकार और मात्रा को अनुकूलित करना

उच्च तापीय चालकता वाले SiC सिरेमिक तैयार करते समय अक्सर विभिन्न सिंटरिंग सहायक पदार्थों को मिलाया जाता है। इनमें से, सिंटरिंग सहायक पदार्थों का प्रकार और मात्रा SiC सिरेमिक की तापीय चालकता पर बहुत प्रभाव डालती है। उदाहरण के लिए, Al₂O₃ प्रणाली के सिंटरिंग सहायक पदार्थों में Al या O तत्व आसानी से SiC जाली में घुल जाते हैं, जिससे रिक्तियाँ और दोष उत्पन्न होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप फोनन प्रकीर्णन आवृत्ति में वृद्धि होती है। इसके अलावा, यदि सिंटरिंग सहायक पदार्थों की मात्रा कम है, तो सामग्री का सिंटरिंग और सघनीकरण कठिन हो जाता है, जबकि सिंटरिंग सहायक पदार्थों की अधिक मात्रा से अशुद्धियाँ और दोष बढ़ जाते हैं। अत्यधिक तरल अवस्था वाले सिंटरिंग सहायक पदार्थ SiC कणों के विकास को भी बाधित कर सकते हैं और फोनन के माध्य 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 सहायक पदार्थों की मात्रा को यथासंभव कम करना आवश्यक है, और ऐसे सिंटरिंग सहायक पदार्थों का चयन करने का प्रयास करना चाहिए जो SiC जाली में आसानी से घुल न सकें।

*विभिन्न सिंटरिंग सहायक पदार्थों को मिलाने पर SiC सिरेमिक के तापीय गुणधर्म

वर्तमान में, BeO को सिंटरिंग सहायक के रूप में उपयोग करके सिंटर्ड किए गए हॉट-प्रेस्ड SiC सिरेमिक की अधिकतम कमरे के तापमान पर तापीय चालकता (270W·m⁻¹·K⁻¹) पाई जाती है। हालांकि, BeO एक अत्यधिक विषैला और कैंसरकारक पदार्थ है, और प्रयोगशालाओं या औद्योगिक क्षेत्रों में व्यापक उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं है। Y₂O₃-Al₂O₃ प्रणाली का न्यूनतम यूटेक्टिक बिंदु 1760℃ है, जो SiC सिरेमिक के लिए एक सामान्य तरल-चरण सिंटरिंग सहायक है। हालांकि, चूंकि Al³⁺ आसानी से SiC जाली में घुल जाता है, इसलिए जब इस प्रणाली को सिंटरिंग सहायक के रूप में उपयोग किया जाता है, तो SiC सिरेमिक की कमरे के तापमान पर तापीय चालकता 200W·m⁻¹·K⁻¹ से कम होती है।

Y, Sm, Sc, Gd और La जैसे दुर्लभ पृथ्वी तत्व SiC जालक में आसानी से घुलनशील नहीं होते हैं और इनमें ऑक्सीजन के प्रति उच्च आकर्षण होता है, जो SiC जालक में ऑक्सीजन की मात्रा को प्रभावी रूप से कम कर सकता है। इसलिए, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली उच्च तापीय चालकता (>200W·m-1·K-1) वाले SiC सिरेमिक तैयार करने के लिए एक सामान्य सिंटरिंग सहायक है। Y2O3-Sc2O3 प्रणाली सिंटरिंग सहायक को उदाहरण के रूप में लेते हुए, Y3+ और Si4+ का आयन विचलन मान अधिक होता है, और ये दोनों ठोस विलयन से नहीं गुजरते हैं। 1800~2600℃ पर शुद्ध SiC में Sc की घुलनशीलता कम होती है, लगभग (2~3)×1017 परमाणु·सेमी-3।

② उच्च तापमान पर ऊष्मा उपचार

SiC सिरेमिक का उच्च तापमान पर ऊष्मा उपचार जाली दोषों, विस्थापनों और अवशिष्ट तनावों को दूर करने में सहायक होता है, जिससे कुछ अनाकार पदार्थों का क्रिस्टलीय संरचना में परिवर्तन होता है और फोनन प्रकीर्णन प्रभाव कम होता है। इसके अतिरिक्त, उच्च तापमान पर ऊष्मा उपचार SiC कणों के विकास को प्रभावी ढंग से बढ़ावा देता है और अंततः पदार्थ के ऊष्मीय गुणों में सुधार करता है। उदाहरण के लिए, 1950°C पर उच्च तापमान पर ऊष्मा उपचार के बाद, SiC सिरेमिक का ऊष्मीय प्रसार गुणांक 83.03mm²·s⁻¹ से बढ़कर 89.50mm²·s⁻¹ हो गया और कमरे के तापमान पर ऊष्मीय चालकता 180.94W·m⁻¹·K⁻¹ से बढ़कर 192.17W·m⁻¹·K⁻¹ हो गई। उच्च तापमान पर ऊष्मा उपचार SiC सतह और जाली पर सिंटरिंग सहायक की ऑक्सीकरण-रोधी क्षमता को प्रभावी ढंग से बढ़ाता है और SiC कणों के बीच जुड़ाव को मजबूत बनाता है। उच्च तापमान पर ऊष्मा उपचार के बाद, SiC सिरेमिक की कमरे के तापमान पर तापीय चालकता में उल्लेखनीय सुधार हुआ है।