Pada masa ini,silikon karbida (SiC)merupakan bahan seramik pengalir haba yang sedang dikaji secara aktif di dalam dan luar negara. Kekonduksian terma teori SiC adalah sangat tinggi, dan beberapa bentuk kristal boleh mencapai 270W/mK, yang sudah menjadi peneraju antara bahan bukan pengalir. Contohnya, aplikasi kekonduksian terma SiC boleh dilihat dalam bahan substrat peranti semikonduktor, bahan seramik kekonduksian terma yang tinggi, pemanas dan plat pemanasan untuk pemprosesan semikonduktor, bahan kapsul untuk bahan api nuklear, dan cincin pengedap gas untuk pam pemampat.
Penggunaansilikon karbidadalam bidang semikonduktor
Cakera dan lekapan pengisaran merupakan peralatan proses yang penting untuk pengeluaran wafer silikon dalam industri semikonduktor. Jika cakera pengisaran diperbuat daripada besi tuang atau keluli karbon, jangka hayatnya pendek dan pekali pengembangan habanya besar. Semasa pemprosesan wafer silikon, terutamanya semasa pengisaran atau penggilapan berkelajuan tinggi, disebabkan oleh haus dan ubah bentuk haba cakera pengisaran, kerataan dan selari wafer silikon sukar dijamin. Cakera pengisaran diperbuat daripadaseramik silikon karbidamempunyai haus yang rendah kerana kekerasannya yang tinggi, dan pekali pengembangan habanya pada asasnya sama dengan wafer silikon, jadi ia boleh dikisar dan digilap pada kelajuan tinggi.
Di samping itu, apabila wafer silikon dihasilkan, ia perlu menjalani rawatan haba suhu tinggi dan sering diangkut menggunakan lekapan silikon karbida. Ia tahan haba dan tidak merosakkan. Karbon seperti berlian (DLC) dan salutan lain boleh digunakan pada permukaan untuk meningkatkan prestasi, mengurangkan kerosakan wafer dan mencegah pencemaran daripada merebak.
Tambahan pula, sebagai wakil bahan semikonduktor celah jalur lebar generasi ketiga, bahan hablur tunggal silikon karbida mempunyai sifat seperti lebar celah jalur yang besar (kira-kira 3 kali ganda daripada Si), kekonduksian terma yang tinggi (kira-kira 3.3 kali ganda daripada Si atau 10 kali ganda daripada GaAs), kadar migrasi ketepuan elektron yang tinggi (kira-kira 2.5 kali ganda daripada Si) dan medan elektrik kerosakan yang tinggi (kira-kira 10 kali ganda daripada Si atau 5 kali ganda daripada GaAs). Peranti SiC menebus kecacatan peranti bahan semikonduktor tradisional dalam aplikasi praktikal dan secara beransur-ansur menjadi arus perdana semikonduktor kuasa.
Permintaan untuk seramik silikon karbida kekonduksian terma yang tinggi telah meningkat secara mendadak
Dengan perkembangan sains dan teknologi yang berterusan, permintaan untuk aplikasi seramik silikon karbida dalam bidang semikonduktor telah meningkat secara mendadak, dan kekonduksian terma yang tinggi merupakan petunjuk utama untuk aplikasinya dalam komponen peralatan pembuatan semikonduktor. Oleh itu, adalah penting untuk memperkukuhkan penyelidikan mengenai seramik silikon karbida kekonduksian terma yang tinggi. Mengurangkan kandungan oksigen kekisi, meningkatkan ketumpatan, dan mengawal selia pengagihan fasa kedua dalam kekisi secara munasabah adalah kaedah utama untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik silikon karbida.
Pada masa ini, terdapat sedikit kajian mengenai seramik silikon karbida kekonduksian terma yang tinggi di negara saya, dan masih terdapat jurang yang besar berbanding dengan peringkat dunia. Arah penyelidikan masa depan termasuk:
●Mengukuhkan penyelidikan proses penyediaan serbuk seramik silikon karbida. Penyediaan serbuk silikon karbida beroksigen rendah dan berketulenan tinggi merupakan asas untuk penyediaan seramik silikon karbida berkonduksi terma yang tinggi;
● Memperkukuhkan pemilihan alat bantu pensinteran dan penyelidikan teori berkaitan;
●Memperkukuhkan penyelidikan dan pembangunan peralatan pensinteran canggih. Dengan mengawal selia proses pensinteran untuk mendapatkan mikrostruktur yang munasabah, ia merupakan syarat yang perlu untuk mendapatkan seramik silikon karbida kekonduksian terma yang tinggi.
Langkah-langkah untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik silikon karbida
Kunci untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik SiC adalah dengan mengurangkan frekuensi penyerakan fonon dan meningkatkan laluan bebas purata fonon. Kekonduksian terma SiC akan diperbaiki secara berkesan dengan mengurangkan keliangan dan ketumpatan sempadan butiran seramik SiC, meningkatkan ketulenan sempadan butiran SiC, mengurangkan kekotoran kekisi SiC atau kecacatan kekisi, dan meningkatkan pembawa penghantaran aliran haba dalam SiC. Pada masa ini, mengoptimumkan jenis dan kandungan alat bantu pensinteran dan rawatan haba suhu tinggi adalah langkah utama untuk meningkatkan kekonduksian terma seramik SiC.
① Mengoptimumkan jenis dan kandungan alat bantu sintering
Pelbagai alat bantu sintering sering ditambah semasa menyediakan seramik SiC kekonduksian terma yang tinggi. Antaranya, jenis dan kandungan alat bantu sintering mempunyai pengaruh yang besar terhadap kekonduksian terma seramik SiC. Contohnya, unsur Al atau O dalam alat bantu sintering sistem Al2O3 mudah larut ke dalam kekisi SiC, mengakibatkan kekosongan dan kecacatan, yang membawa kepada peningkatan frekuensi penyebaran fonon. Di samping itu, jika kandungan alat bantu sintering rendah, bahan tersebut sukar untuk disinter dan dipadatkan, manakala kandungan alat bantu sintering yang tinggi akan menyebabkan peningkatan bendasing dan kecacatan. Alat bantu sintering fasa cecair yang berlebihan juga boleh menghalang pertumbuhan butiran SiC dan mengurangkan laluan bebas min fonon. Oleh itu, untuk menyediakan seramik SiC kekonduksian terma yang tinggi, adalah perlu untuk mengurangkan kandungan alat bantu sintering sebanyak mungkin sambil memenuhi keperluan ketumpatan sintering, dan cuba memilih alat bantu sintering yang sukar untuk larut dalam kekisi SiC.
*Sifat terma seramik SiC apabila pelbagai alat bantu sintering ditambah
Pada masa ini, seramik SiC tekan panas yang disinter dengan BeO sebagai alat bantu sintering mempunyai kekonduksian terma suhu bilik maksimum (270W·m-1·K-1). Walau bagaimanapun, BeO ialah bahan yang sangat toksik dan karsinogenik, dan tidak sesuai untuk aplikasi meluas dalam makmal atau bidang perindustrian. Titik eutektik terendah sistem Y2O3-Al2O3 ialah 1760℃, yang merupakan alat bantu sintering fasa cecair biasa untuk seramik SiC. Walau bagaimanapun, memandangkan Al3+ mudah larut ke dalam kekisi SiC, apabila sistem ini digunakan sebagai alat bantu sintering, kekonduksian terma suhu bilik seramik SiC adalah kurang daripada 200W·m-1·K-1.
Unsur nadir bumi seperti Y, Sm, Sc, Gd dan La tidak mudah larut dalam kekisi SiC dan mempunyai afiniti oksigen yang tinggi, yang boleh mengurangkan kandungan oksigen dalam kekisi SiC dengan berkesan. Oleh itu, sistem Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) ialah alat bantu pensinteran biasa untuk menyediakan seramik SiC kekonduksian terma yang tinggi (>200W·m-1·K-1). Dengan mengambil alat bantu pensinteran sistem Y2O3-Sc2O3 sebagai contoh, nilai sisihan ion Y3+ dan Si4+ adalah besar, dan kedua-duanya tidak mengalami larutan pepejal. Keterlarutan Sc dalam SiC tulen pada 1800~2600℃ adalah kecil, kira-kira (2~3)×1017atom·cm-3.
② Rawatan haba suhu tinggi
Rawatan haba suhu tinggi bagi seramik SiC kondusif untuk menghapuskan kecacatan kekisi, kehelan dan tegasan baki, menggalakkan transformasi struktur beberapa bahan amorfus kepada kristal, dan melemahkan kesan penyebaran fonon. Di samping itu, rawatan haba suhu tinggi boleh menggalakkan pertumbuhan butiran SiC dengan berkesan, dan akhirnya meningkatkan sifat terma bahan tersebut. Contohnya, selepas rawatan haba suhu tinggi pada 1950°C, pekali resapan terma seramik SiC meningkat daripada 83.03mm2·s-1 kepada 89.50mm2·s-1, dan kekonduksian terma suhu bilik meningkat daripada 180.94W·m-1·K-1 kepada 192.17W·m-1·K-1. Rawatan haba suhu tinggi berkesan meningkatkan keupayaan penyahoksidaan bantuan pensinteran pada permukaan dan kekisi SiC, dan menjadikan hubungan antara butiran SiC lebih ketat. Selepas rawatan haba suhu tinggi, kekonduksian terma suhu bilik seramik SiC telah bertambah baik dengan ketara.
Masa siaran: 24 Okt-2024