सेमीकंडक्टर क्षेत्रात उच्च औष्णिक वाहकता असलेल्या SiC सिरॅमिक्सची मागणी आणि उपयोग

सध्या,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)SiC हा एक उष्णता वाहक सिरॅमिक पदार्थ आहे, ज्याचा देश-विदेशात सक्रियपणे अभ्यास केला जात आहे. SiC ची सैद्धांतिक औष्णिक वाहकता खूप जास्त आहे आणि काही स्फटिक रूपे २७०W/mK पर्यंत पोहोचू शकतात, ज्यामुळे तो अवाहक पदार्थांमध्ये आधीच अग्रणी आहे. उदाहरणार्थ, SiC च्या औष्णिक वाहकतेचा उपयोग सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या सबस्ट्रेट मटेरियलमध्ये, उच्च औष्णिक वाहक सिरॅमिक मटेरियलमध्ये, सेमीकंडक्टर प्रक्रियेसाठी लागणाऱ्या हीटर्स आणि हीटिंग प्लेट्समध्ये, अणुइंधनासाठी लागणाऱ्या कॅप्सूल मटेरियलमध्ये आणि कंप्रेसर पंपांसाठी लागणाऱ्या गॅस सीलिंग रिंग्समध्ये दिसून येतो.

अर्जसिलिकॉन कार्बाइडसेमीकंडक्टर क्षेत्रात

सेमीकंडक्टर उद्योगात सिलिकॉन वेफर उत्पादनासाठी ग्राइंडिंग डिस्क आणि फिक्स्चर ही महत्त्वाची प्रक्रिया उपकरणे आहेत. जर ग्राइंडिंग डिस्क कास्ट आयर्न किंवा कार्बन स्टीलची बनलेली असेल, तर तिचे सेवा आयुष्य कमी असते आणि तिचा औष्णिक प्रसरण गुणांक जास्त असतो. सिलिकॉन वेफर्सच्या प्रक्रियेदरम्यान, विशेषतः उच्च-गती ग्राइंडिंग किंवा पॉलिशिंग करताना, ग्राइंडिंग डिस्कच्या झीज आणि औष्णिक विरूपणामुळे, सिलिकॉन वेफरची सपाटपणा आणि समांतरता सुनिश्चित करणे कठीण होते. कास्ट आयर्न किंवा कार्बन स्टीलची बनलेली ग्राइंडिंग डिस्क...सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सत्याच्या उच्च कठीणपणामुळे त्याची झीज कमी होते आणि त्याचा औष्णिक प्रसरण गुणांक मूलतः सिलिकॉन वेफर्ससारखाच असतो, त्यामुळे त्याला उच्च वेगाने घासता आणि पॉलिश करता येते.

याव्यतिरिक्त, जेव्हा सिलिकॉन वेफर्स तयार केले जातात, तेव्हा त्यांच्यावर उच्च-तापमानाची उष्णता प्रक्रिया करणे आवश्यक असते आणि अनेकदा सिलिकॉन कार्बाइड फिक्स्चर वापरून त्यांची वाहतूक केली जाते. ते उष्णता-प्रतिरोधक आणि अविनाशी असतात. कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी, वेफरचे नुकसान कमी करण्यासाठी आणि दूषित घटकांचा प्रसार रोखण्यासाठी पृष्ठभागावर डायमंड-लाइक कार्बन (DLC) आणि इतर लेप लावले जाऊ शकतात.

शिवाय, तिसऱ्या पिढीतील वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर मटेरियलचा प्रतिनिधी म्हणून, सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल मटेरियलमध्ये मोठी बँडगॅप रुंदी (Si च्या सुमारे ३ पट), उच्च औष्णिक वाहकता (Si च्या सुमारे ३.३ पट किंवा GaAs च्या १० पट), उच्च इलेक्ट्रॉन सॅचुरेशन मायग्रेशन रेट (Si च्या सुमारे २.५ पट) आणि उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड (Si च्या सुमारे १० पट किंवा GaAs च्या ५ पट) यांसारखे गुणधर्म आहेत. SiC उपकरणे व्यावहारिक उपयोगांमध्ये पारंपरिक सेमीकंडक्टर मटेरियल उपकरणांमधील त्रुटी भरून काढतात आणि हळूहळू पॉवर सेमीकंडक्टरचा मुख्य प्रवाह बनत आहेत.

उच्च औष्णिक वाहकता असलेल्या सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सची मागणी मोठ्या प्रमाणात वाढली आहे.

विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या सततच्या विकासामुळे, सेमीकंडक्टर क्षेत्रात सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सच्या वापराची मागणी मोठ्या प्रमाणात वाढली आहे, आणि सेमीकंडक्टर उत्पादन उपकरणांच्या घटकांमध्ये त्याच्या वापरासाठी उच्च औष्णिक वाहकता हा एक महत्त्वाचा निर्देशक आहे. त्यामुळे, उच्च औष्णिक वाहकता असलेल्या सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सवरील संशोधन अधिक बळकट करणे अत्यावश्यक आहे. जाळीतील ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी करणे, घनता सुधारणे, आणि जाळीतील दुसऱ्या टप्प्याच्या वितरणाचे योग्य नियमन करणे, या सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सची औष्णिक वाहकता सुधारण्याच्या मुख्य पद्धती आहेत.

सध्या, माझ्या देशात उच्च औष्णिक वाहकतेच्या सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सवर फार कमी अभ्यास झाले आहेत आणि जागतिक पातळीच्या तुलनेत यात अजूनही मोठी तफावत आहे. भविष्यातील संशोधनाच्या दिशांमध्ये पुढील गोष्टींचा समावेश आहे:
●सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक पावडरच्या निर्मिती प्रक्रियेच्या संशोधनाला बळकटी देणे. उच्च-शुद्धता, कमी-ऑक्सिजन असलेल्या सिलिकॉन कार्बाइड पावडरची निर्मिती ही उच्च औष्णिक वाहकता असलेल्या सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सच्या निर्मितीचा आधार आहे;
● सिंटरिंग सहाय्यकांची निवड आणि संबंधित सैद्धांतिक संशोधन अधिक बळकट करणे;
● उच्च श्रेणीच्या सिंटरिंग उपकरणांचे संशोधन आणि विकास अधिक बळकट करणे. योग्य सूक्ष्मसंरचना मिळवण्यासाठी सिंटरिंग प्रक्रियेचे नियमन करणे, ही उच्च औष्णिक वाहकता असलेले सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्स मिळवण्यासाठी एक आवश्यक अट आहे.

सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सची औष्णिक वाहकता सुधारण्यासाठी उपाययोजना

SiC सिरॅमिक्सची औष्णिक वाहकता सुधारण्याची गुरुकिल्ली म्हणजे फोनॉन विखुरण्याची वारंवारता कमी करणे आणि फोनॉनचा सरासरी मुक्त मार्ग वाढवणे. SiC सिरॅमिक्समधील सच्छिद्रता आणि कण-सीमांची घनता कमी करून, SiC कण-सीमांची शुद्धता सुधारून, SiC जालक अशुद्धता किंवा जालक दोष कमी करून, आणि SiC मधील उष्णता प्रवाह वहन वाहक वाढवून SiC ची औष्णिक वाहकता प्रभावीपणे सुधारली जाईल. सध्या, सिंटरिंग सहाय्यकांचा प्रकार आणि प्रमाण अनुकूल करणे आणि उच्च-तापमान उष्णता उपचार हे SiC सिरॅमिक्सची औष्णिक वाहकता सुधारण्याचे मुख्य उपाय आहेत.

① सिंटरिंग सहायकांच्या प्रकाराचे आणि प्रमाणाचे इष्टतमीकरण करणे

उच्च औष्णिक वाहकतेचे SiC सिरॅमिक्स तयार करताना अनेकदा विविध सिंटरिंग सहाय्यक (sintering aids) वापरले जातात. त्यांपैकी, सिंटरिंग सहाय्यकांचा प्रकार आणि प्रमाण यांचा SiC सिरॅमिक्सच्या औष्णिक वाहकतेवर मोठा प्रभाव पडतो. उदाहरणार्थ, Al2O3 प्रणालीतील सिंटरिंग सहाय्यकांमधील Al किंवा O घटक SiC जाळीमध्ये (lattice) सहजपणे विरघळतात, ज्यामुळे रिक्त जागा (vacancies) आणि दोष (defects) निर्माण होतात, आणि यामुळे फोनॉन विखुरण्याच्या वारंवारतेत (phonon scattering frequency) वाढ होते. याव्यतिरिक्त, जर सिंटरिंग सहाय्यकांचे प्रमाण कमी असेल, तर पदार्थाचे सिंटरिंग आणि घनीकरण करणे कठीण होते, तर सिंटरिंग सहाय्यकांचे प्रमाण जास्त असल्यास अशुद्धता आणि दोषांमध्ये वाढ होते. अतिरिक्त द्रव अवस्थेतील सिंटरिंग सहाय्यकांमुळे SiC कणांच्या वाढीस अडथळा येऊ शकतो आणि फोनॉनचा सरासरी मुक्त मार्ग (mean free path) कमी होऊ शकतो. म्हणून, उच्च औष्णिक वाहकतेचे SiC सिरॅमिक्स तयार करण्यासाठी, सिंटरिंग घनतेची आवश्यकता पूर्ण करताना सिंटरिंग सहाय्यकांचे प्रमाण शक्य तितके कमी करणे आणि SiC जाळीमध्ये विरघळण्यास कठीण असलेले सिंटरिंग सहाय्यक निवडण्याचा प्रयत्न करणे आवश्यक आहे.

वेगवेगळी सिंटरिंग सहाय्यके मिसळल्यावर एसआयसी सिरॅमिक्सचे औष्णिक गुणधर्म

सध्या, सिंटरिंग सहाय्यक म्हणून BeO वापरून सिंटर केलेल्या हॉट-प्रेस्ड SiC सिरॅमिक्सची सर्वाधिक कक्ष-तापमान औष्णिक वाहकता (270W·m-1·K-1) असते. तथापि, BeO हा एक अत्यंत विषारी आणि कर्करोगजन्य पदार्थ आहे, आणि तो प्रयोगशाळा किंवा औद्योगिक क्षेत्रांमध्ये व्यापक वापरासाठी योग्य नाही. Y2O3-Al2O3 प्रणालीचा सर्वात कमी युटेक्टिक बिंदू 1760℃ आहे, जो SiC सिरॅमिक्ससाठी एक सामान्य द्रव-अवस्था सिंटरिंग सहाय्यक आहे. तथापि, Al3+ हे SiC लॅटिसमध्ये सहजपणे विरघळत असल्यामुळे, जेव्हा ही प्रणाली सिंटरिंग सहाय्यक म्हणून वापरली जाते, तेव्हा SiC सिरॅमिक्सची कक्ष-तापमान औष्णिक वाहकता 200W·m-1·K-1 पेक्षा कमी असते.

Y, Sm, Sc, Gd आणि La सारखे दुर्मिळ मूलद्रव्ये SiC जाळीमध्ये सहज विरघळत नाहीत आणि त्यांना ऑक्सिजनची उच्च ओढ असते, ज्यामुळे SiC जाळीतील ऑक्सिजनचे प्रमाण प्रभावीपणे कमी होऊ शकते. त्यामुळे, उच्च औष्णिक वाहकता (>200W·m-1·K-1) असलेले SiC सिरॅमिक्स तयार करण्यासाठी Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली हे एक सामान्य सिंटरिंग सहाय्यक आहे. Y2O3-Sc2O3 प्रणालीच्या सिंटरिंग सहाय्यकाचे उदाहरण घेतल्यास, Y3+ आणि Si4+ यांचे आयन विचलन मूल्य मोठे असते आणि या दोन्हींमध्ये घन द्रावण (solid solution) होत नाही. १८००~२६००℃ तापमानात शुद्ध SiC मध्ये Sc ची विद्राव्यता कमी असते, सुमारे (२~३)×१०¹⁷ अणू·सेमी⁻³.

② उच्च तापमान उष्णता उपचार

SiC सिरॅमिक्सवर उच्च तापमानाची उष्णता प्रक्रिया केल्याने जाळीतील दोष, विस्थापन आणि अवशिष्ट ताण नाहीसे होतात, काही अनाकार पदार्थांच्या स्फटिकांमध्ये संरचनात्मक रूपांतरणास चालना मिळते आणि फोनॉन विखुरण्याचा प्रभाव कमी होतो. याव्यतिरिक्त, उच्च-तापमानाची उष्णता प्रक्रिया SiC कणांच्या वाढीस प्रभावीपणे चालना देऊ शकते आणि अंतिमतः पदार्थाचे औष्णिक गुणधर्म सुधारते. उदाहरणार्थ, १९५०°C तापमानावर उच्च-तापमानाची उष्णता प्रक्रिया केल्यानंतर, SiC सिरॅमिक्सचा औष्णिक प्रसार गुणांक ८३.०३ मिमी²·से⁻¹ वरून ८९.५० मिमी²·से⁻¹ पर्यंत वाढला आणि सामान्य तापमानातील औष्णिक वाहकता १८०.९४ वॅट·मीटर⁻¹·केल्विन⁻¹ वरून १९२.१७ वॅट·मीटर⁻¹·केल्विन⁻¹ पर्यंत वाढली. उच्च-तापमानाची उष्णता प्रक्रिया SiC पृष्ठभाग आणि जाळीवरील सिंटरिंग सहाय्यकाची डीऑक्सिडेशन क्षमता प्रभावीपणे सुधारते आणि SiC कणांमधील जोडणी अधिक घट्ट करते. उच्च तापमानावर उष्णता प्रक्रिया केल्यानंतर, SiC सिरॅमिक्सच्या सामान्य तापमानातील औष्णिक वाहकतेत लक्षणीय सुधारणा झाली आहे.