अर्धचालक क्षेत्रमा उच्च थर्मल चालकता SiC सिरेमिकको माग र प्रयोग

हाल,सिलिकन कार्बाइड (SiC)यो एक थर्मल रूपमा चालक सिरेमिक सामग्री हो जुन स्वदेश र विदेशमा सक्रिय रूपमा अध्ययन गरिन्छ। SiC को सैद्धान्तिक थर्मल चालकता धेरै उच्च छ, र केही क्रिस्टल रूपहरू 270W/mK सम्म पुग्न सक्छन्, जुन पहिले नै गैर-चालक सामग्रीहरू मध्ये एक अग्रणी हो। उदाहरणका लागि, SiC थर्मल चालकताको प्रयोग अर्धचालक उपकरणहरूको सब्सट्रेट सामग्री, उच्च थर्मल चालकता सिरेमिक सामग्री, अर्धचालक प्रशोधनको लागि हीटर र तताउने प्लेटहरू, आणविक इन्धनको लागि क्याप्सुल सामग्रीहरू, र कम्प्रेसर पम्पहरूको लागि ग्यास सिलिङ रिंगहरूमा देख्न सकिन्छ।

को प्रयोगसिलिकन कार्बाइडअर्धचालक क्षेत्रमा

अर्धचालक उद्योगमा सिलिकन वेफर उत्पादनको लागि ग्राइन्डिङ डिस्क र फिक्स्चरहरू महत्त्वपूर्ण प्रक्रिया उपकरणहरू हुन्। यदि ग्राइन्डिङ डिस्क कास्ट आइरन वा कार्बन स्टीलबाट बनेको छ भने, यसको सेवा जीवन छोटो हुन्छ र यसको थर्मल विस्तार गुणांक ठूलो हुन्छ। सिलिकन वेफरहरूको प्रशोधनको क्रममा, विशेष गरी उच्च-गतिको ग्राइन्डिङ वा पालिसिङको समयमा, ग्राइन्डिङ डिस्कको पहिरन र थर्मल विकृतिको कारणले गर्दा, सिलिकन वेफरको समतलता र समानान्तरताको ग्यारेन्टी गर्न गाह्रो हुन्छ। ग्राइन्डिङ डिस्क बनेकोसिलिकन कार्बाइड सिरेमिकयसको उच्च कठोरताको कारणले गर्दा कम पहिरन छ, र यसको थर्मल विस्तार गुणांक मूलतः सिलिकन वेफरको जस्तै छ, त्यसैले यसलाई उच्च गतिमा ग्राउन्ड र पालिस गर्न सकिन्छ।

यसको अतिरिक्त, जब सिलिकन वेफरहरू उत्पादन गरिन्छ, तिनीहरूलाई उच्च-तापमान ताप उपचारबाट गुज्रनु पर्छ र प्रायः सिलिकन कार्बाइड फिक्स्चरहरू प्रयोग गरेर ढुवानी गरिन्छ। तिनीहरू ताप-प्रतिरोधी र गैर-विनाशकारी हुन्छन्। हीरा-जस्तै कार्बन (DLC) र अन्य कोटिंगहरू सतहमा प्रदर्शन बढाउन, वेफर क्षति कम गर्न, र प्रदूषण फैलिनबाट रोक्न लागू गर्न सकिन्छ।

यसबाहेक, तेस्रो पुस्ताको वाइड-ब्यान्डग्याप अर्धचालक सामग्रीको प्रतिनिधिको रूपमा, सिलिकन कार्बाइड एकल क्रिस्टल सामग्रीहरूमा ठूलो ब्यान्डग्याप चौडाइ (Si भन्दा लगभग 3 गुणा), उच्च थर्मल चालकता (Si भन्दा लगभग 3.3 गुणा वा GaA भन्दा 10 गुणा), उच्च इलेक्ट्रोन संतृप्ति माइग्रेसन दर (Si भन्दा लगभग 2.5 गुणा) र उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र (Si भन्दा लगभग 10 गुणा वा GaA भन्दा 5 गुणा) जस्ता गुणहरू छन्। SiC उपकरणहरूले व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूमा परम्परागत अर्धचालक सामग्री उपकरणहरूको दोषहरूको लागि क्षतिपूर्ति गर्छन् र बिस्तारै पावर अर्धचालकहरूको मुख्यधारा बन्दैछन्।

उच्च तापीय चालकता भएको सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकको माग नाटकीय रूपमा बढेको छ।

विज्ञान र प्रविधिको निरन्तर विकाससँगै, अर्धचालक क्षेत्रमा सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकको प्रयोगको माग नाटकीय रूपमा बढेको छ, र उच्च थर्मल चालकता अर्धचालक निर्माण उपकरण घटकहरूमा यसको प्रयोगको लागि एक प्रमुख सूचक हो। त्यसकारण, उच्च थर्मल चालकता सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकमा अनुसन्धानलाई बलियो बनाउनु महत्त्वपूर्ण छ। जालीको अक्सिजन सामग्री घटाउने, घनत्व सुधार गर्ने, र जालीमा दोस्रो चरणको वितरणलाई उचित रूपमा नियमन गर्ने सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकको थर्मल चालकता सुधार गर्ने मुख्य तरिकाहरू हुन्।

हाल, मेरो देशमा उच्च थर्मल चालकता सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकमा थोरै अध्ययनहरू छन्, र विश्व स्तरको तुलनामा अझै पनि ठूलो खाडल छ। भविष्यको अनुसन्धान निर्देशनहरूमा समावेश छन्:
● सिलिकन कार्बाइड सिरेमिक पाउडरको तयारी प्रक्रिया अनुसन्धानलाई बलियो बनाउनुहोस्। उच्च-शुद्धता, कम-अक्सिजन सिलिकन कार्बाइड पाउडरको तयारी उच्च थर्मल चालकता सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकको तयारीको लागि आधार हो;
● सिन्टरिङ एड्स र सम्बन्धित सैद्धान्तिक अनुसन्धानको छनोटलाई बलियो बनाउने;
● उच्च-अन्त सिन्टरिङ उपकरणहरूको अनुसन्धान र विकासलाई बलियो बनाउनुहोस्। उचित माइक्रोस्ट्रक्चर प्राप्त गर्न सिन्टरिङ प्रक्रियालाई नियमन गरेर, उच्च थर्मल चालकता सिलिकन कार्बाइड सिरेमिक प्राप्त गर्न यो आवश्यक अवस्था हो।

सिलिकन कार्बाइड सिरेमिकको थर्मल चालकता सुधार गर्ने उपायहरू

SiC सिरेमिकको थर्मल चालकता सुधार गर्ने मुख्य कुरा फोनोन स्क्याटरिङ फ्रिक्वेन्सी घटाउनु र फोनोन मीन फ्री पाथ बढाउनु हो। SiC सिरेमिकको पोरोसिटी र ग्रेन बाउन्ड्री घनत्व घटाएर, SiC ग्रेन बाउन्ड्रीको शुद्धता सुधार गरेर, SiC जाली अशुद्धता वा जाली दोषहरू घटाएर, र SiC मा ताप प्रवाह प्रसारण वाहक बढाएर SiC को थर्मल चालकता प्रभावकारी रूपमा सुधार गरिनेछ। हाल, सिन्टरिङ एड्सको प्रकार र सामग्रीलाई अनुकूलन गर्नु र उच्च-तापमान ताप उपचार SiC सिरेमिकको थर्मल चालकता सुधार गर्ने मुख्य उपायहरू हुन्।

① सिन्टरिङ एड्सको प्रकार र सामग्रीलाई अनुकूलन गर्दै

उच्च थर्मल चालकता SiC सिरेमिक तयार गर्दा विभिन्न सिन्टरिङ एडहरू प्रायः थपिन्छन्। ती मध्ये, सिन्टरिङ एडहरूको प्रकार र सामग्रीले SiC सिरेमिकको थर्मल चालकतामा ठूलो प्रभाव पार्छ। उदाहरणका लागि, Al2O3 प्रणाली सिन्टरिङ एडहरूमा Al वा O तत्वहरू सजिलै SiC जालीमा घुल्छन्, जसले गर्दा खाली ठाउँहरू र दोषहरू हुन्छन्, जसले गर्दा फोनोन स्क्याटरिङ फ्रिक्वेन्सीमा वृद्धि हुन्छ। थप रूपमा, यदि सिन्टरिङ एडहरूको सामग्री कम छ भने, सामग्रीलाई सिन्टर र घनत्व दिन गाह्रो हुन्छ, जबकि सिन्टरिङ एडहरूको उच्च सामग्रीले अशुद्धता र दोषहरूमा वृद्धि निम्त्याउँछ। अत्यधिक तरल चरण सिन्टरिङ एडहरूले SiC दानाको वृद्धिलाई पनि रोक्न सक्छ र फोनोनहरूको औसत मुक्त मार्ग घटाउन सक्छ। त्यसकारण, उच्च थर्मल चालकता SiC सिरेमिकहरू तयार गर्न, सिन्टरिङ घनत्वको आवश्यकताहरू पूरा गर्दा सिन्टरिङ एडहरूको सामग्रीलाई सकेसम्म कम गर्न आवश्यक छ, र SiC जालीमा घुलनशील हुन गाह्रो हुने सिन्टरिङ एडहरू छनौट गर्ने प्रयास गर्नुहोस्।

*विभिन्न सिन्टरिङ एड्स थप्दा SiC सिरेमिकको थर्मल गुणहरू

हाल, BeO लाई सिन्टरिङ सहायताको रूपमा सिन्ट गरिएको तातो-प्रेस गरिएको SiC सिरेमिकहरूमा अधिकतम कोठा-तापमान थर्मल चालकता (270W·m-1·K-1) हुन्छ। यद्यपि, BeO एक अत्यधिक विषाक्त पदार्थ र कार्सिनोजेनिक हो, र प्रयोगशाला वा औद्योगिक क्षेत्रहरूमा व्यापक प्रयोगको लागि उपयुक्त छैन। Y2O3-Al2O3 प्रणालीको सबैभन्दा कम युटेक्टिक बिन्दु 1760℃ हो, जुन SiC सिरेमिकहरूको लागि एक सामान्य तरल-चरण सिन्टरिङ सहायता हो। यद्यपि, Al3+ सजिलै SiC जालीमा घुलनशील हुने भएकोले, जब यो प्रणालीलाई सिन्टरिङ सहायताको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, SiC सिरेमिकको कोठा-तापमान थर्मल चालकता 200W·m-1·K-1 भन्दा कम हुन्छ।

Y, Sm, Sc, Gd र La जस्ता दुर्लभ पृथ्वी तत्वहरू SiC जालीमा सजिलै घुलनशील हुँदैनन् र उच्च अक्सिजन आत्मीयता हुन्छ, जसले SiC जालीको अक्सिजन सामग्रीलाई प्रभावकारी रूपमा कम गर्न सक्छ। त्यसकारण, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली उच्च थर्मल चालकता (>200W·m-1·K-1) SiC सिरेमिक तयार गर्नको लागि एक सामान्य सिन्टरिङ सहायता हो। उदाहरणको रूपमा Y2O3-Sc2O3 प्रणाली सिन्टरिङ सहायता लिँदा, Y3+ र Si4+ को आयन विचलन मान ठूलो छ, र दुई ठोस घोलबाट गुज्रँदैनन्। 1800~2600℃ मा शुद्ध SiC मा Sc को घुलनशीलता सानो छ, लगभग (2~3)×1017 परमाणु·cm-3।

② उच्च तापक्रम ताप उपचार

SiC सिरेमिकको उच्च तापक्रम ताप उपचारले जाली दोष, विस्थापन र अवशिष्ट तनावहरू हटाउन, केही अनाकार सामग्रीहरूको क्रिस्टलमा संरचनात्मक रूपान्तरणलाई बढावा दिन र फोनोन स्क्याटरिङ प्रभावलाई कमजोर बनाउन अनुकूल छ। थप रूपमा, उच्च-तापमान ताप उपचारले प्रभावकारी रूपमा SiC दानाको वृद्धिलाई बढावा दिन सक्छ, र अन्ततः सामग्रीको थर्मल गुणहरू सुधार गर्न सक्छ। उदाहरणका लागि, १९५०°C मा उच्च-तापमान ताप उपचार पछि, SiC सिरेमिकको थर्मल प्रसार गुणांक ८३.०३mm२·s-१ बाट ८९.५०mm२·s-१ मा बढ्यो, र कोठा-तापमान तापीय चालकता १८०.९४W·m-१·K-१ बाट १९२.१७W·m-१·K-१ मा बढ्यो। उच्च-तापमान ताप उपचारले SiC सतह र जालीमा सिन्टरिङ सहायताको डिअक्सिडेशन क्षमतालाई प्रभावकारी रूपमा सुधार गर्छ, र SiC दानाहरू बीचको जडानलाई कडा बनाउँछ। उच्च-तापमान ताप उपचार पछि, SiC सिरेमिकको कोठा-तापमान तापीय चालकतामा उल्लेखनीय सुधार भएको छ।