მაღალი თბოგამტარობის SiC კერამიკის მოთხოვნა და გამოყენება ნახევარგამტარულ სფეროში

ამჟამად,სილიციუმის კარბიდი (SiC)არის თბოგამტარი კერამიკული მასალა, რომელიც აქტიურად სწავლობს როგორც სამშობლოში, ასევე მის ფარგლებს გარეთ. SiC-ის თეორიული თბოგამტარობა ძალიან მაღალია და ზოგიერთი კრისტალური ფორმის თბოგამტარობამ შეიძლება მიაღწიოს 270 W/mK-ს, რაც უკვე ლიდერია არაგამტარ მასალებს შორის. მაგალითად, SiC-ის თბოგამტარობის გამოყენება შეიძლება ნახოთ ნახევარგამტარული მოწყობილობების საფუძვლების მასალებში, მაღალი თბოგამტარობის კერამიკულ მასალებში, ნახევარგამტარული დამუშავებისთვის გამათბობლებსა და გამათბობელ ფირფიტებში, ბირთვული საწვავის კაფსულის მასალებსა და კომპრესორის ტუმბოებისთვის გაზის დალუქვის რგოლებში.

გამოყენებასილიციუმის კარბიდინახევარგამტარების სფეროში

ნახევარგამტარული ინდუსტრიაში სილიკონის ვაფლების წარმოებისთვის მნიშვნელოვანი ტექნოლოგიური აღჭურვილობაა სახეხი დისკები და ფიტინგები. თუ სახეხი დისკი დამზადებულია თუჯის ან ნახშირბადოვანი ფოლადისგან, მისი მომსახურების ვადა ხანმოკლეა და თერმული გაფართოების კოეფიციენტი დიდია. სილიკონის ვაფლების დამუშავების დროს, განსაკუთრებით მაღალსიჩქარიანი დაფქვის ან გაპრიალების დროს, სახეხი დისკის ცვეთისა და თერმული დეფორმაციის გამო, სილიკონის ვაფლის სიბრტყისა და პარალელიზმის გარანტია რთულია. სახეხი დისკი დამზადებულია...სილიციუმის კარბიდის კერამიკამაღალი სიმტკიცის გამო, მას დაბალი ცვეთა აქვს, ხოლო მისი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ძირითადად იგივეა, რაც სილიკონის ვაფლების, ამიტომ მისი დაფქვა და გაპრიალება მაღალი სიჩქარით შესაძლებელია.

გარდა ამისა, სილიკონის ვაფლების წარმოებისას, მათ მაღალი ტემპერატურის თერმული დამუშავება სჭირდებათ და ხშირად ტრანსპორტირება ხდება სილიციუმის კარბიდის სამაგრების გამოყენებით. ისინი სითბოს მდგრადი და არადესტრუქციულია. ზედაპირზე შეიძლება დაიტანოს ალმასის მსგავსი ნახშირბადი (DLC) და სხვა საფარი, რათა გაუმჯობესდეს მუშაობა, შემცირდეს ვაფლის დაზიანება და თავიდან იქნას აცილებული დაბინძურების გავრცელება.

გარდა ამისა, როგორც მესამე თაობის ფართო ზოლის მქონე ნახევარგამტარული მასალების წარმომადგენელი, სილიციუმის კარბიდის მონოკრისტალურ მასალებს აქვთ ისეთი თვისებები, როგორიცაა დიდი ზოლის სიგანე (დაახლოებით 3-ჯერ მეტი, ვიდრე Si), მაღალი თბოგამტარობა (დაახლოებით 3.3-ჯერ მეტი, ვიდრე Si ან 10-ჯერ მეტი, ვიდრე GaAs), ელექტრონების მაღალი გაჯერების მიგრაციის სიჩქარე (დაახლოებით 2.5-ჯერ მეტი, ვიდრე Si) და მაღალი დაშლის ელექტრული ველი (დაახლოებით 10-ჯერ მეტი, ვიდრე Si ან 5-ჯერ მეტი, ვიდრე GaAs). SiC მოწყობილობები ანაზღაურებენ ტრადიციული ნახევარგამტარული მასალის მოწყობილობების დეფექტებს პრაქტიკულ გამოყენებაში და თანდათანობით იქცევიან სიმძლავრის ნახევარგამტარების მთავარ ნაწილად.

მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მოთხოვნა მკვეთრად გაიზარდა.

მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უწყვეტ განვითარებასთან ერთად, ნახევარგამტარული დარგში სილიციუმის კარბიდის კერამიკის გამოყენებაზე მოთხოვნა მკვეთრად გაიზარდა და მაღალი თბოგამტარობა ნახევარგამტარული წარმოების აღჭურვილობის კომპონენტებში მისი გამოყენების მთავარი მაჩვენებელია. ამიტომ, უმნიშვნელოვანესია მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკის კვლევის გაძლიერება. ბადეში ჟანგბადის შემცველობის შემცირება, სიმკვრივის გაუმჯობესება და ბადეში მეორე ფაზის განაწილების გონივრული რეგულირება სილიციუმის კარბიდის კერამიკის თბოგამტარობის გაუმჯობესების ძირითადი მეთოდებია.

ამჟამად, ჩემს ქვეყანაში მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკის შესახებ კვლევები მცირეა და მსოფლიო დონესთან შედარებით ჯერ კიდევ დიდი ხარვეზია. სამომავლო კვლევის მიმართულებებია:
● სილიციუმის კარბიდის კერამიკული ფხვნილის მომზადების პროცესის კვლევის გაძლიერება. მაღალი სისუფთავის, დაბალი ჟანგბადის შემცველობის სილიციუმის კარბიდის ფხვნილის მომზადება მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მომზადების საფუძველია;
● გააძლიეროს სინთეზირების დამხმარე საშუალებების შერჩევა და მასთან დაკავშირებული თეორიული კვლევები;
● მაღალი დონის სინთეზირების აღჭურვილობის კვლევისა და განვითარების გაძლიერება. სინთეზირების პროცესის რეგულირებით გონივრული მიკროსტრუქტურის მისაღებად, ეს აუცილებელი პირობაა მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მისაღებად.

სილიციუმის კარბიდის კერამიკის თბოგამტარობის გაუმჯობესების ზომები

SiC კერამიკის თბოგამტარობის გაუმჯობესების გასაღები ფონონების გაფანტვის სიხშირის შემცირება და ფონონის საშუალო თავისუფალი გზის გაზრდაა. SiC-ის თბოგამტარობა ეფექტურად გაუმჯობესდება SiC კერამიკის ფორიანობისა და მარცვლების სასაზღვრო სიმკვრივის შემცირებით, SiC მარცვლების საზღვრების სისუფთავის გაუმჯობესებით, SiC ბადისებრი მინარევებისა და ბადისებრი დეფექტების შემცირებით და SiC-ში სითბოს გადაცემის მატარებლის გაზრდით. ამჟამად, SiC კერამიკის თბოგამტარობის გაუმჯობესების ძირითადი ზომებია შედუღების დამხმარე საშუალებების ტიპისა და შემცველობის ოპტიმიზაცია და მაღალტემპერატურული თერმული დამუშავება.

① შედუღების დამხმარე საშუალებების ტიპისა და შემცველობის ოპტიმიზაცია

მაღალი თბოგამტარობის SiC კერამიკის მომზადებისას ხშირად ემატება სხვადასხვა შედუღების დამხმარე საშუალებები. მათ შორის, შედუღების დამხმარე საშუალებების ტიპი და შემცველობა დიდ გავლენას ახდენს SiC კერამიკის თბოგამტარობაზე. მაგალითად, Al2O3 სისტემის შედუღების დამხმარე საშუალებებში Al ან O ელემენტები ადვილად იხსნება SiC ბადეში, რაც იწვევს ვაკანსიებსა და დეფექტებს, რაც იწვევს ფონონების გაფანტვის სიხშირის ზრდას. გარდა ამისა, თუ შედუღების დამხმარე საშუალებების შემცველობა დაბალია, მასალის შედუღება და გამკვრივება რთულია, ხოლო შედუღების დამხმარე საშუალებების მაღალი შემცველობა გამოიწვევს მინარევების და დეფექტების ზრდას. თხევადი ფაზის შედუღების დამხმარე საშუალებების ჭარბმა რაოდენობამ ასევე შეიძლება შეაფერხოს SiC მარცვლების ზრდა და შეამციროს ფონონების საშუალო თავისუფალი გზა. ამიტომ, მაღალი თბოგამტარობის SiC კერამიკის მოსამზადებლად, აუცილებელია შედუღების დამხმარე საშუალებების შემცველობის მაქსიმალურად შემცირება, შედუღების სიმკვრივის მოთხოვნების დაკმაყოფილებისას და ვეცადოთ შევარჩიოთ ისეთი შედუღების დამხმარე საშუალებები, რომლებიც ძნელად იხსნება SiC ბადეში.

*SiC კერამიკის თერმული თვისებები სხვადასხვა შედუღების დამხმარე საშუალებების დამატებისას

ამჟამად, ცხელად დაწნეხილ SiC კერამიკას, რომელიც BeO-თი იწვება, როგორც შედუღების დამხმარე საშუალებად, აქვს მაქსიმალური ოთახის ტემპერატურის თბოგამტარობა (270W·m-1·K-1). თუმცა, BeO არის ძლიერ ტოქსიკური და კანცეროგენული მასალა და არ არის შესაფერისი ლაბორატორიებში ან სამრეწველო სფეროებში ფართოდ გამოყენებისთვის. Y2O3-Al2O3 სისტემის ყველაზე დაბალი ევტექტიკური წერტილია 1760℃, რაც SiC კერამიკისთვის გავრცელებული თხევადი ფაზის შედუღების დამხმარე საშუალებაა. თუმცა, რადგან Al3+ ადვილად იხსნება SiC ბადეში, როდესაც ეს სისტემა გამოიყენება როგორც შედუღების დამხმარე საშუალება, SiC კერამიკის ოთახის ტემპერატურის თბოგამტარობა 200W·m-1·K-1-ზე ნაკლებია.

იშვიათმიწა ელემენტები, როგორიცაა Y, Sm, Sc, Gd და La, ადვილად არ იხსნება SiC ბადეში და აქვთ მაღალი ჟანგბადისადმი აფინურობა, რამაც შეიძლება ეფექტურად შეამციროს SiC ბადეში ჟანგბადის შემცველობა. ამიტომ, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) სისტემა წარმოადგენს გავრცელებულ შემწვარ საშუალებას მაღალი თბოგამტარობის (>200W·m-1·K-1) SiC კერამიკის მოსამზადებლად. Y2O3-Sc2O3 სისტემის შემწვარი ნივთიერების მაგალითის სახით, Y3+ და Si4+ იონების გადახრის მნიშვნელობა დიდია და ორივე არ განიცდის მყარ ხსნარს. Sc-ის ხსნადობა სუფთა SiC-ში 1800~2600℃ ტემპერატურაზე მცირეა, დაახლოებით (2~3)×1017ატომები·სმ-3.

② მაღალი ტემპერატურის თერმული დამუშავება

SiC კერამიკის მაღალტემპერატურული თერმული დამუშავება ხელს უწყობს ბადის დეფექტების, დისლოკაციების და ნარჩენი სტრესების აღმოფხვრას, ხელს უწყობს ზოგიერთი ამორფული მასალის სტრუქტურულ ტრანსფორმაციას კრისტალებად და ასუსტებს ფონონების გაფანტვის ეფექტს. გარდა ამისა, მაღალტემპერატურული თერმული დამუშავება ეფექტურად უწყობს ხელს SiC მარცვლების ზრდას და საბოლოოდ აუმჯობესებს მასალის თერმულ თვისებებს. მაგალითად, 1950°C-ზე მაღალტემპერატურული თერმული დამუშავების შემდეგ, SiC კერამიკის თერმული დიფუზიის კოეფიციენტი გაიზარდა 83.03 მმ2·s-1-დან 89.50 მმ2·s-1-მდე, ხოლო ოთახის ტემპერატურის თბოგამტარობა 180.94W·m-1·K-1-დან 192.17W·m-1·K-1-მდე. მაღალტემპერატურული თერმული დამუშავება ეფექტურად აუმჯობესებს SiC ზედაპირზე და ბადისებრ ბადეზე შედუღების დამხმარე ნივთიერების დეოქსიდაციის უნარს და ამკვრივებს SiC მარცვლებს შორის კავშირს. მაღალტემპერატურული თერმული დამუშავების შემდეგ, SiC კერამიკის ოთახის ტემპერატურის თბოგამტარობა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა.