सध्या,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)हे एक थर्मली कंडक्टिव्ह सिरेमिक मटेरियल आहे ज्याचा देश-विदेशात सक्रियपणे अभ्यास केला जातो. SiC ची सैद्धांतिक थर्मल चालकता खूप जास्त आहे आणि काही क्रिस्टल फॉर्म 270W/mK पर्यंत पोहोचू शकतात, जे आधीच गैर-कंडक्टिव्ह मटेरियलमध्ये आघाडीवर आहे. उदाहरणार्थ, SiC थर्मल चालकतेचा वापर सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या सब्सट्रेट मटेरियलमध्ये, उच्च थर्मल चालकता सिरेमिक मटेरियलमध्ये, सेमीकंडक्टर प्रक्रियेसाठी हीटर्स आणि हीटिंग प्लेट्समध्ये, न्यूक्लियर इंधनासाठी कॅप्सूल मटेरियलमध्ये आणि कंप्रेसर पंपसाठी गॅस सीलिंग रिंगमध्ये दिसून येतो.
चा वापरसिलिकॉन कार्बाइडअर्धवाहक क्षेत्रात
सेमीकंडक्टर उद्योगात सिलिकॉन वेफर उत्पादनासाठी ग्राइंडिंग डिस्क आणि फिक्स्चर हे महत्त्वाचे प्रक्रिया उपकरणे आहेत. जर ग्राइंडिंग डिस्क कास्ट आयर्न किंवा कार्बन स्टीलपासून बनलेली असेल, तर त्याची सेवा आयुष्य कमी असते आणि त्याचा थर्मल एक्सपेंशन गुणांक मोठा असतो. सिलिकॉन वेफर्सच्या प्रक्रियेदरम्यान, विशेषतः हाय-स्पीड ग्राइंडिंग किंवा पॉलिशिंग दरम्यान, ग्राइंडिंग डिस्कच्या झीज आणि थर्मल विकृतीमुळे, सिलिकॉन वेफरची सपाटपणा आणि समांतरता हमी देणे कठीण असते. ग्राइंडिंग डिस्क बनलेलीसिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक्सत्याच्या उच्च कडकपणामुळे कमी झीज होते आणि त्याचा थर्मल एक्सपेंशन गुणांक मुळात सिलिकॉन वेफर्ससारखाच असतो, त्यामुळे तो उच्च वेगाने ग्राउंड आणि पॉलिश केला जाऊ शकतो.
याव्यतिरिक्त, जेव्हा सिलिकॉन वेफर्स तयार केले जातात तेव्हा त्यांना उच्च-तापमानाच्या उष्णता उपचारातून जावे लागते आणि बहुतेकदा सिलिकॉन कार्बाइड फिक्स्चर वापरून वाहतूक केली जाते. ते उष्णता-प्रतिरोधक आणि विनाशकारी असतात. कामगिरी वाढवण्यासाठी, वेफरचे नुकसान कमी करण्यासाठी आणि दूषित होण्यापासून रोखण्यासाठी पृष्ठभागावर हिऱ्यासारखे कार्बन (DLC) आणि इतर कोटिंग्ज लावता येतात.
शिवाय, तिसऱ्या पिढीतील वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियलचे प्रतिनिधी म्हणून, सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल मटेरियलमध्ये मोठे बँडगॅप रुंदी (Si पेक्षा सुमारे 3 पट), उच्च थर्मल चालकता (Si पेक्षा सुमारे 3.3 पट किंवा GaA पेक्षा 10 पट), उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति स्थलांतर दर (Si पेक्षा सुमारे 2.5 पट) आणि उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड (Si पेक्षा सुमारे 10 पट किंवा GaA पेक्षा 5 पट) असे गुणधर्म आहेत. SiC उपकरणे व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये पारंपारिक अर्धसंवाहक मटेरियल उपकरणांच्या दोषांची भरपाई करतात आणि हळूहळू पॉवर सेमीकंडक्टरचा मुख्य प्रवाह बनत आहेत.
उच्च औष्णिक चालकता असलेल्या सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकची मागणी नाटकीयरित्या वाढली आहे.
विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या सतत विकासासह, सेमीकंडक्टर क्षेत्रात सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकच्या वापराची मागणी नाटकीयरित्या वाढली आहे आणि सेमीकंडक्टर उत्पादन उपकरणांच्या घटकांमध्ये त्याच्या वापरासाठी उच्च थर्मल चालकता हा एक प्रमुख सूचक आहे. म्हणूनच, उच्च थर्मल चालकता सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकवरील संशोधन मजबूत करणे अत्यंत महत्वाचे आहे. जाळीतील ऑक्सिजन सामग्री कमी करणे, घनता सुधारणे आणि जाळीतील दुसऱ्या टप्प्याचे वितरण योग्यरित्या नियंत्रित करणे हे सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकची थर्मल चालकता सुधारण्यासाठी मुख्य पद्धती आहेत.
सध्या, माझ्या देशात उच्च औष्णिक चालकता असलेल्या सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकवर फार कमी अभ्यास सुरू आहेत आणि जागतिक पातळीच्या तुलनेत अजूनही मोठी तफावत आहे. भविष्यातील संशोधन दिशानिर्देशांमध्ये हे समाविष्ट आहे:
●सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पावडरच्या तयारी प्रक्रियेच्या संशोधनाला बळकटी द्या. उच्च-शुद्धता, कमी-ऑक्सिजन सिलिकॉन कार्बाइड पावडरची तयारी ही उच्च थर्मल चालकता असलेल्या सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकच्या तयारीसाठी आधार आहे;
● सिंटरिंग एड्स आणि संबंधित सैद्धांतिक संशोधनाची निवड मजबूत करणे;
● उच्च दर्जाच्या सिंटरिंग उपकरणांचे संशोधन आणि विकास मजबूत करा. वाजवी सूक्ष्म संरचना मिळविण्यासाठी सिंटरिंग प्रक्रियेचे नियमन करून, उच्च थर्मल चालकता असलेले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक्स मिळविण्यासाठी ही एक आवश्यक अट आहे.
सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकची थर्मल चालकता सुधारण्यासाठी उपाय
SiC सिरेमिकची थर्मल चालकता सुधारण्याची गुरुकिल्ली म्हणजे फोनॉन स्कॅटरिंग फ्रिक्वेन्सी कमी करणे आणि फोनॉन मीन फ्री पाथ वाढवणे. SiC सिरेमिकची सच्छिद्रता आणि धान्य सीमा घनता कमी करून, SiC धान्य सीमांची शुद्धता सुधारून, SiC जाळीच्या अशुद्धता किंवा जाळीच्या दोष कमी करून आणि SiC मध्ये उष्णता प्रवाह प्रसारण वाहक वाढवून SiC ची थर्मल चालकता प्रभावीपणे सुधारली जाईल. सध्या, सिंटरिंग एड्सचा प्रकार आणि सामग्री ऑप्टिमायझ करणे आणि उच्च-तापमान उष्णता उपचार हे SiC सिरेमिकची थर्मल चालकता सुधारण्यासाठी मुख्य उपाय आहेत.
① सिंटरिंग एड्सचा प्रकार आणि सामग्री ऑप्टिमायझ करणे
उच्च थर्मल चालकता असलेल्या SiC सिरेमिक्स तयार करताना अनेकदा विविध सिंटरिंग एड्स जोडले जातात. त्यापैकी, सिंटरिंग एड्सचा प्रकार आणि सामग्रीचा SiC सिरेमिक्सच्या थर्मल चालकतेवर मोठा प्रभाव पडतो. उदाहरणार्थ, Al2O3 सिस्टम सिंटरिंग एड्समधील Al किंवा O घटक सहजपणे SiC जाळीमध्ये विरघळतात, ज्यामुळे रिक्त जागा आणि दोष निर्माण होतात, ज्यामुळे फोनॉन स्कॅटरिंग फ्रिक्वेन्सी वाढते. याव्यतिरिक्त, जर सिंटरिंग एड्सची सामग्री कमी असेल, तर सामग्री सिंटर करणे आणि घनता वाढवणे कठीण होते, तर सिंटरिंग एड्सची उच्च सामग्री अशुद्धता आणि दोषांमध्ये वाढ करण्यास कारणीभूत ठरते. जास्त द्रव टप्प्यातील सिंटरिंग एड्स SiC धान्यांच्या वाढीस देखील प्रतिबंधित करू शकतात आणि फोनॉनचा सरासरी मुक्त मार्ग कमी करू शकतात. म्हणून, उच्च थर्मल चालकता असलेल्या SiC सिरेमिक्स तयार करण्यासाठी, सिंटरिंग घनतेच्या आवश्यकता पूर्ण करताना सिंटरिंग एड्सची सामग्री शक्य तितकी कमी करणे आवश्यक आहे आणि SiC जाळीमध्ये विरघळण्यास कठीण असलेल्या सिंटरिंग एड्स निवडण्याचा प्रयत्न करणे आवश्यक आहे.
*वेगवेगळ्या सिंटरिंग एड्स जोडल्यावर SiC सिरेमिकचे थर्मल गुणधर्म
सध्या, BeO सह सिंटरिंग सहाय्यक म्हणून गरम दाबलेल्या SiC सिरेमिकमध्ये खोली-तापमानाची जास्तीत जास्त थर्मल चालकता (270W·m-1·K-1) असते. तथापि, BeO हा एक अत्यंत विषारी पदार्थ आहे आणि कर्करोगजन्य आहे आणि प्रयोगशाळांमध्ये किंवा औद्योगिक क्षेत्रात व्यापक वापरासाठी योग्य नाही. Y2O3-Al2O3 प्रणालीचा सर्वात कमी युटेक्टिक बिंदू 1760℃ आहे, जो SiC सिरेमिकसाठी एक सामान्य द्रव-फेज सिंटरिंग सहाय्यक आहे. तथापि, Al3+ सहजपणे SiC जाळीमध्ये विरघळत असल्याने, जेव्हा ही प्रणाली सिंटरिंग सहाय्यक म्हणून वापरली जाते, तेव्हा SiC सिरेमिकची खोली-तापमानाची थर्मल चालकता 200W·m-1·K-1 पेक्षा कमी असते.
Y, Sm, Sc, Gd आणि La सारखे दुर्मिळ पृथ्वी घटक SiC जाळीमध्ये सहज विरघळत नाहीत आणि त्यांच्यात उच्च ऑक्सिजन आकर्षण असते, जे SiC जाळीतील ऑक्सिजनचे प्रमाण प्रभावीपणे कमी करू शकते. म्हणून, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली ही उच्च थर्मल चालकता (>200W·m-1·K-1) SiC सिरेमिक तयार करण्यासाठी एक सामान्य सिंटरिंग सहाय्यक आहे. Y2O3-Sc2O3 प्रणाली सिंटरिंग सहाय्यकाचे उदाहरण घेतल्यास, Y3+ आणि Si4+ चे आयन विचलन मूल्य मोठे आहे आणि दोघांनाही घन द्रावणातून जावे लागत नाही. 1800~2600℃ वर शुद्ध SiC मध्ये Sc ची विद्राव्यता लहान आहे, सुमारे (2~3)×1017 अणू·cm-3.
② उच्च तापमान उष्णता उपचार
SiC सिरेमिकचे उच्च तापमान उष्णता उपचार जाळीतील दोष, विस्थापन आणि अवशिष्ट ताण दूर करण्यासाठी, काही अनाकार पदार्थांचे क्रिस्टल्समध्ये संरचनात्मक रूपांतर करण्यास प्रोत्साहन देण्यासाठी आणि फोनॉन स्कॅटरिंग प्रभाव कमकुवत करण्यासाठी अनुकूल आहे. याव्यतिरिक्त, उच्च-तापमान उष्णता उपचार प्रभावीपणे SiC धान्यांच्या वाढीस प्रोत्साहन देऊ शकतात आणि शेवटी सामग्रीचे थर्मल गुणधर्म सुधारू शकतात. उदाहरणार्थ, 1950°C वर उच्च-तापमान उष्णता उपचारानंतर, SiC सिरेमिकचा थर्मल प्रसार गुणांक 83.03mm2·s-1 वरून 89.50mm2·s-1 पर्यंत वाढला आणि खोली-तापमान थर्मल चालकता 180.94W·m-1·K-1 वरून 192.17W·m-1·K-1 पर्यंत वाढली. उच्च-तापमान उष्णता उपचार SiC पृष्ठभागावर आणि जाळीवरील सिंटरिंग मदतीची डीऑक्सिडेशन क्षमता प्रभावीपणे सुधारते आणि SiC धान्यांमधील कनेक्शन घट्ट करते. उच्च-तापमान उष्णता उपचारानंतर, SiC सिरेमिकची खोली-तापमान थर्मल चालकता लक्षणीयरीत्या सुधारली आहे.
पोस्ट वेळ: ऑक्टोबर-२४-२०२४