സെമികണ്ടക്ടർ മേഖലയിൽ ഉയർന്ന താപ ചാലകത SiC സെറാമിക്സിന്റെ ആവശ്യകതയും പ്രയോഗവും

നിലവിൽ,സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC)സ്വദേശത്തും വിദേശത്തും സജീവമായി പഠിക്കപ്പെടുന്ന ഒരു താപചാലക സെറാമിക് വസ്തുവാണ്. SiC യുടെ സൈദ്ധാന്തിക താപചാലകത വളരെ ഉയർന്നതാണ്, ചില ക്രിസ്റ്റൽ രൂപങ്ങൾക്ക് 270W/mK വരെ എത്താൻ കഴിയും, ഇത് ഇതിനകം തന്നെ ചാലകമല്ലാത്ത വസ്തുക്കളിൽ ഒരു നേതാവാണ്. ഉദാഹരണത്തിന്, സെമികണ്ടക്ടർ ഉപകരണങ്ങളുടെ അടിവസ്ത്ര വസ്തുക്കൾ, ഉയർന്ന താപചാലകത സെറാമിക് വസ്തുക്കൾ, സെമികണ്ടക്ടർ പ്രോസസ്സിംഗിനുള്ള ഹീറ്ററുകൾ, ഹീറ്ററുകൾ, ന്യൂക്ലിയർ ഇന്ധനത്തിനുള്ള കാപ്സ്യൂൾ വസ്തുക്കൾ, കംപ്രസ്സർ പമ്പുകൾക്കുള്ള ഗ്യാസ് സീലിംഗ് വളയങ്ങൾ എന്നിവയിൽ SiC താപചാലകതയുടെ പ്രയോഗം കാണാൻ കഴിയും.

അപേക്ഷസിലിക്കൺ കാർബൈഡ്സെമികണ്ടക്ടർ ഫീൽഡിൽ

സെമികണ്ടക്ടർ വ്യവസായത്തിൽ സിലിക്കൺ വേഫർ ഉൽ‌പാദനത്തിനുള്ള പ്രധാന പ്രോസസ്സ് ഉപകരണങ്ങളാണ് ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്കുകളും ഫിക്‌ചറുകളും. ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്ക് കാസ്റ്റ് ഇരുമ്പ് അല്ലെങ്കിൽ കാർബൺ സ്റ്റീൽ കൊണ്ടാണ് നിർമ്മിച്ചതെങ്കിൽ, അതിന്റെ സേവന ആയുസ്സ് കുറവായിരിക്കും, അതിന്റെ താപ വികാസ ഗുണകം വലുതായിരിക്കും. സിലിക്കൺ വേഫറുകളുടെ പ്രോസസ്സിംഗ് സമയത്ത്, പ്രത്യേകിച്ച് അതിവേഗ ഗ്രൈൻഡിംഗ് അല്ലെങ്കിൽ പോളിഷിംഗ് സമയത്ത്, ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്കിന്റെ തേയ്മാനവും താപ രൂപഭേദവും കാരണം, സിലിക്കൺ വേഫറിന്റെ പരന്നതും സമാന്തരതയും ഉറപ്പ് നൽകാൻ പ്രയാസമാണ്. ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്ക് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സ്ഉയർന്ന കാഠിന്യം കാരണം ഇതിന് കുറഞ്ഞ തേയ്മാനം മാത്രമേ ഉള്ളൂ, കൂടാതെ അതിന്റെ താപ വികാസ ഗുണകം അടിസ്ഥാനപരമായി സിലിക്കൺ വേഫറുകളുടേതിന് തുല്യമാണ്, അതിനാൽ ഇത് ഉയർന്ന വേഗതയിൽ പൊടിക്കാനും മിനുക്കാനും കഴിയും.

കൂടാതെ, സിലിക്കൺ വേഫറുകൾ നിർമ്മിക്കുമ്പോൾ, അവ ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള ഹീറ്റ് ട്രീറ്റ്‌മെന്റിന് വിധേയമാക്കേണ്ടതുണ്ട്, കൂടാതെ പലപ്പോഴും സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് ഫിക്‌ചറുകൾ ഉപയോഗിച്ചാണ് കൊണ്ടുപോകുന്നത്. അവ ചൂടിനെ പ്രതിരോധിക്കുന്നതും വിനാശകരമല്ലാത്തതുമാണ്. പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും, വേഫറിന്റെ കേടുപാടുകൾ ലഘൂകരിക്കുന്നതിനും, മലിനീകരണം പടരുന്നത് തടയുന്നതിനും വജ്രം പോലുള്ള കാർബണും (DLC) മറ്റ് കോട്ടിംഗുകളും ഉപരിതലത്തിൽ പ്രയോഗിക്കാവുന്നതാണ്.

കൂടാതെ, മൂന്നാം തലമുറ വൈഡ്-ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലുകളുടെ പ്രതിനിധി എന്ന നിലയിൽ, സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് വലിയ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതി (Si യുടെ ഏകദേശം 3 മടങ്ങ്), ഉയർന്ന താപ ചാലകത (Si യുടെ ഏകദേശം 3.3 മടങ്ങ് അല്ലെങ്കിൽ GaA കളുടെ 10 മടങ്ങ്), ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ സാച്ചുറേഷൻ മൈഗ്രേഷൻ നിരക്ക് (Si യുടെ ഏകദേശം 2.5 മടങ്ങ്), ഉയർന്ന ബ്രേക്ക്ഡൗൺ ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡ് (Si യുടെ ഏകദേശം 10 മടങ്ങ് അല്ലെങ്കിൽ GaA കളുടെ 5 മടങ്ങ്) തുടങ്ങിയ ഗുണങ്ങളുണ്ട്. പ്രായോഗിക പ്രയോഗങ്ങളിൽ പരമ്പരാഗത സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയൽ ഉപകരണങ്ങളുടെ വൈകല്യങ്ങൾ SiC ഉപകരണങ്ങൾ പരിഹരിക്കുന്നു, ക്രമേണ പവർ സെമികണ്ടക്ടറുകളുടെ മുഖ്യധാരയായി മാറുന്നു.

ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിനുള്ള ആവശ്യം ഗണ്യമായി വർദ്ധിച്ചു.

ശാസ്ത്ര സാങ്കേതിക വിദ്യയുടെ തുടർച്ചയായ വികാസത്തോടെ, സെമികണ്ടക്ടർ മേഖലയിൽ സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിന്റെ പ്രയോഗത്തിനുള്ള ആവശ്യം ഗണ്യമായി വർദ്ധിച്ചു, കൂടാതെ സെമികണ്ടക്ടർ നിർമ്മാണ ഉപകരണ ഘടകങ്ങളിൽ അതിന്റെ പ്രയോഗത്തിന് ഉയർന്ന താപ ചാലകത ഒരു പ്രധാന സൂചകമാണ്. അതിനാൽ, ഉയർന്ന താപ ചാലകത സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിനെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണം ശക്തിപ്പെടുത്തേണ്ടത് നിർണായകമാണ്. ലാറ്റിസ് ഓക്സിജന്റെ അളവ് കുറയ്ക്കുക, സാന്ദ്രത മെച്ചപ്പെടുത്തുക, ലാറ്റിസിലെ രണ്ടാം ഘട്ടത്തിന്റെ വിതരണം ന്യായമായി നിയന്ത്രിക്കുക എന്നിവയാണ് സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിന്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള പ്രധാന രീതികൾ.

നിലവിൽ, എന്റെ രാജ്യത്ത് ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിനെക്കുറിച്ച് വളരെക്കുറച്ച് പഠനങ്ങൾ മാത്രമേ നടക്കുന്നുള്ളൂ, ലോക നിലവാരവുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ഇപ്പോഴും വലിയ വിടവുണ്ട്. ഭാവിയിലെ ഗവേഷണ ദിശകളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:
●സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക് പൗഡറിന്റെ തയ്യാറെടുപ്പ് പ്രക്രിയ ഗവേഷണം ശക്തിപ്പെടുത്തുക. ഉയർന്ന ശുദ്ധതയും കുറഞ്ഞ ഓക്സിജനും ഉള്ള സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് പൗഡർ തയ്യാറാക്കുന്നതാണ് ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സ് തയ്യാറാക്കുന്നതിനുള്ള അടിസ്ഥാനം;
● സിന്ററിംഗ് സഹായങ്ങളുടെയും അനുബന്ധ സൈദ്ധാന്തിക ഗവേഷണങ്ങളുടെയും തിരഞ്ഞെടുപ്പ് ശക്തിപ്പെടുത്തുക;
●ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള സിന്ററിംഗ് ഉപകരണങ്ങളുടെ ഗവേഷണവും വികസനവും ശക്തിപ്പെടുത്തുക. ന്യായമായ ഒരു മൈക്രോസ്ട്രക്ചർ ലഭിക്കുന്നതിന് സിന്ററിംഗ് പ്രക്രിയ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിലൂടെ, ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സ് ലഭിക്കുന്നതിന് അത് ആവശ്യമായ ഒരു വ്യവസ്ഥയാണ്.

സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിന്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള നടപടികൾ

SiC സെറാമിക്സിന്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള പ്രധാന കാര്യം ഫോണോൺ സ്കാറ്ററിംഗ് ഫ്രീക്വൻസി കുറയ്ക്കുകയും ഫോണോൺ ശരാശരി സ്വതന്ത്ര പാത വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുക എന്നതാണ്. SiC സെറാമിക്സിന്റെ പോറോസിറ്റിയും ഗ്രെയിൻ ബൗണ്ടറി സാന്ദ്രതയും കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെയും, SiC ഗ്രെയിൻ ബൗണ്ടറികളുടെ പരിശുദ്ധി മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിലൂടെയും, SiC ലാറ്റിസ് മാലിന്യങ്ങൾ അല്ലെങ്കിൽ ലാറ്റിസ് വൈകല്യങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെയും, SiC-യിലെ താപ പ്രവാഹ ട്രാൻസ്മിഷൻ കാരിയർ വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിലൂടെയും SiC-യുടെ താപ ചാലകത ഫലപ്രദമായി മെച്ചപ്പെടുത്തും. നിലവിൽ, സിന്ററിംഗ് എയ്ഡുകളുടെ തരവും ഉള്ളടക്കവും ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതും ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള താപ ചികിത്സയുമാണ് SiC സെറാമിക്സിന്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള പ്രധാന നടപടികൾ.

① സിന്ററിംഗ് എയ്ഡുകളുടെ തരവും ഉള്ളടക്കവും ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നു

ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള SiC സെറാമിക്സ് തയ്യാറാക്കുമ്പോൾ പലപ്പോഴും വിവിധ സിന്ററിംഗ് സഹായികൾ ചേർക്കാറുണ്ട്. അവയിൽ, സിന്ററിംഗ് സഹായികളുടെ തരവും ഉള്ളടക്കവും SiC സെറാമിക്സിന്റെ താപ ചാലകതയിൽ വലിയ സ്വാധീനം ചെലുത്തുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, Al2O3 സിസ്റ്റം സിന്ററിംഗ് സഹായികളിലെ Al അല്ലെങ്കിൽ O ഘടകങ്ങൾ SiC ലാറ്റിസിലേക്ക് എളുപ്പത്തിൽ ലയിക്കുന്നു, ഇത് ഒഴിവുകളും വൈകല്യങ്ങളും ഉണ്ടാക്കുന്നു, ഇത് ഫോണോൺ സ്കാറ്ററിംഗ് ആവൃത്തിയിൽ വർദ്ധനവിന് കാരണമാകുന്നു. കൂടാതെ, സിന്ററിംഗ് സഹായികളുടെ ഉള്ളടക്കം കുറവാണെങ്കിൽ, മെറ്റീരിയൽ സിന്റർ ചെയ്യാനും സാന്ദ്രത വർദ്ധിപ്പിക്കാനും പ്രയാസമാണ്, അതേസമയം സിന്ററിംഗ് സഹായികളുടെ ഉയർന്ന ഉള്ളടക്കം മാലിന്യങ്ങളുടെയും വൈകല്യങ്ങളുടെയും വർദ്ധനവിന് കാരണമാകും. അമിതമായ ലിക്വിഡ് ഫേസ് സിന്ററിംഗ് സഹായികൾ SiC ധാന്യങ്ങളുടെ വളർച്ചയെ തടയുകയും ഫോണണുകളുടെ ശരാശരി സ്വതന്ത്ര പാത കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്തേക്കാം. അതിനാൽ, ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള SiC സെറാമിക്സ് തയ്യാറാക്കുന്നതിന്, സിന്ററിംഗ് സാന്ദ്രതയുടെ ആവശ്യകതകൾ നിറവേറ്റുന്നതിനിടയിൽ സിന്ററിംഗ് സഹായികളുടെ ഉള്ളടക്കം കഴിയുന്നത്ര കുറയ്ക്കുകയും SiC ലാറ്റിസിൽ ലയിക്കാൻ പ്രയാസമുള്ള സിന്ററിംഗ് സഹായികൾ തിരഞ്ഞെടുക്കാൻ ശ്രമിക്കുകയും വേണം.

*വ്യത്യസ്ത സിന്ററിംഗ് എയ്ഡുകൾ ചേർക്കുമ്പോൾ SiC സെറാമിക്സിന്റെ താപ ഗുണങ്ങൾ

നിലവിൽ, BeO സിന്ററിംഗ് സഹായിയായി ഉപയോഗിച്ച് സിന്റർ ചെയ്ത ഹോട്ട്-പ്രസ്സ്ഡ് SiC സെറാമിക്സുകൾക്ക് പരമാവധി മുറിയിലെ താപനിലയിലെ താപ ചാലകത (270W·m-1·K-1) ഉണ്ട്. എന്നിരുന്നാലും, BeO വളരെ വിഷാംശമുള്ളതും അർബുദകാരിയുമായ ഒരു വസ്തുവാണ്, ഇത് ലബോറട്ടറികളിലോ വ്യാവസായിക മേഖലകളിലോ വ്യാപകമായി പ്രയോഗിക്കുന്നതിന് അനുയോജ്യമല്ല. Y2O3-Al2O3 സിസ്റ്റത്തിന്റെ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ യൂടെക്റ്റിക് പോയിന്റ് 1760℃ ആണ്, ഇത് SiC സെറാമിക്സിനുള്ള ഒരു സാധാരണ ദ്രാവക-ഘട്ട സിന്ററിംഗ് സഹായമാണ്. എന്നിരുന്നാലും, Al3+ എളുപ്പത്തിൽ SiC ലാറ്റിസിൽ ലയിക്കുന്നതിനാൽ, ഈ സിസ്റ്റം ഒരു സിന്ററിംഗ് സഹായിയായി ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ, SiC സെറാമിക്സിന്റെ മുറിയിലെ താപനിലയിലെ താപ ചാലകത 200W·m-1·K-1 ൽ താഴെയാണ്.

Y, Sm, Sc, Gd, La തുടങ്ങിയ അപൂർവ ഭൗമ മൂലകങ്ങൾ SiC ലാറ്റിസിൽ എളുപ്പത്തിൽ ലയിക്കുന്നില്ല, ഉയർന്ന ഓക്സിജൻ അഫിനിറ്റിയും ഉണ്ട്, ഇത് SiC ലാറ്റിസിന്റെ ഓക്സിജന്റെ അളവ് ഫലപ്രദമായി കുറയ്ക്കും. അതിനാൽ, ഉയർന്ന താപ ചാലകത (> 200W·m-1·K-1) SiC സെറാമിക്സ് തയ്യാറാക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു സാധാരണ സിന്ററിംഗ് സഹായമാണ് Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) സിസ്റ്റം. Y2O3-Sc2O3 സിസ്റ്റം സിന്ററിംഗ് സഹായി ഉദാഹരണമായി എടുക്കുകയാണെങ്കിൽ, Y3+, Si4+ എന്നിവയുടെ അയോൺ വ്യതിയാന മൂല്യം വലുതാണ്, കൂടാതെ രണ്ടും ഖര ലായനിക്ക് വിധേയമാകുന്നില്ല. 1800~2600℃-ൽ ശുദ്ധമായ SiC-യിൽ Sc ന്റെ ലയിക്കുന്നത ചെറുതാണ്, ഏകദേശം (2~3)×1017atoms·cm-3.

② ഉയർന്ന താപനില ചൂട് ചികിത്സ

SiC സെറാമിക്സിന്റെ ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള താപ ചികിത്സ, ലാറ്റിസ് വൈകല്യങ്ങൾ, സ്ഥാനഭ്രംശങ്ങൾ, അവശിഷ്ട സമ്മർദ്ദങ്ങൾ എന്നിവ ഇല്ലാതാക്കുന്നതിനും, ചില അമോർഫസ് വസ്തുക്കളെ പരലുകളാക്കി മാറ്റുന്നതിനും, ഫോണോൺ സ്കാറ്ററിംഗ് പ്രഭാവം ദുർബലപ്പെടുത്തുന്നതിനും സഹായകമാണ്. കൂടാതെ, ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള താപ ചികിത്സയ്ക്ക് SiC ഗ്രെയിനുകളുടെ വളർച്ചയെ ഫലപ്രദമായി പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കാനും, ആത്യന്തികമായി മെറ്റീരിയലിന്റെ താപ ഗുണങ്ങൾ മെച്ചപ്പെടുത്താനും കഴിയും. ഉദാഹരണത്തിന്, 1950°C-ൽ ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള താപ ചികിത്സയ്ക്ക് ശേഷം, SiC സെറാമിക്സിന്റെ താപ വ്യാപന ഗുണകം 83.03mm2·s-1 ൽ നിന്ന് 89.50mm2·s-1 ആയി വർദ്ധിച്ചു, കൂടാതെ മുറിയിലെ താപനിലയിലുള്ള താപ ചാലകത 180.94W·m-1·K-1 ൽ നിന്ന് 192.17W·m-1·K-1 ആയി വർദ്ധിച്ചു. ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള താപ ചികിത്സ SiC പ്രതലത്തിലും ലാറ്റിസിലുമുള്ള സിന്ററിംഗ് എയ്ഡിന്റെ ഡീഓക്സിഡേഷൻ കഴിവ് ഫലപ്രദമായി മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും SiC ഗ്രെയിനുകൾ തമ്മിലുള്ള ബന്ധം കൂടുതൽ ദൃഢമാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഉയർന്ന താപനിലയിലുള്ള താപ ചികിത്സയ്ക്ക് ശേഷം, SiC സെറാമിക്സിന്റെ മുറിയിലെ താപനിലയിലുള്ള താപ ചാലകത ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ട്.