В настоящее время,карбид кремния (SiC)SiC — это теплопроводящий керамический материал, активно изучаемый как в стране, так и за рубежом. Теоретическая теплопроводность SiC очень высока, а некоторые кристаллические формы могут достигать 270 Вт/мК, что уже является одним из ведущих показателей среди непроводящих материалов. Например, теплопроводность SiC можно увидеть в материалах подложек полупроводниковых приборов, высокотеплопроводных керамических материалах, нагревателях и нагревательных пластинах для обработки полупроводников, материалах капсул для ядерного топлива и уплотнительных кольцах для компрессорных насосов.
Применениекарбид кремнияв полупроводниковой отрасли
Шлифовальные диски и приспособления являются важным технологическим оборудованием для производства кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности. Если шлифовальный диск изготовлен из чугуна или углеродистой стали, срок его службы невелик, а коэффициент теплового расширения велик. В процессе обработки кремниевых пластин, особенно при высокоскоростном шлифовании или полировке, из-за износа и термической деформации шлифовального диска трудно гарантировать плоскостность и параллельность кремниевой пластины. Шлифовальный диск, изготовленный изкерамика из карбида кремнияОбладает низким износом благодаря высокой твердости, а коэффициент теплового расширения у него практически такой же, как у кремниевых пластин, поэтому его можно шлифовать и полировать на высоких скоростях.
Кроме того, при производстве кремниевых пластин необходимо проводить высокотемпературную термообработку, а транспортировка часто осуществляется с использованием приспособлений из карбида кремния. Они термостойки и не повреждают материал. Для повышения производительности, уменьшения повреждений пластин и предотвращения распространения загрязнений на поверхность могут быть нанесены алмазоподобные углеродные (DLC) и другие покрытия.
Кроме того, в качестве представителя полупроводниковых материалов третьего поколения с широкой запрещенной зоной, монокристаллы карбида кремния обладают такими свойствами, как большая ширина запрещенной зоны (примерно в 3 раза больше, чем у Si), высокая теплопроводность (примерно в 3,3 раза больше, чем у Si, или в 10 раз больше, чем у GaAs), высокая скорость миграции насыщения электронов (примерно в 2,5 раза больше, чем у Si) и высокое пробивное электрическое поле (примерно в 10 раз больше, чем у Si, или в 5 раз больше, чем у GaAs). Устройства на основе SiC компенсируют недостатки традиционных полупроводниковых материалов в практических приложениях и постепенно становятся основным направлением в силовых полупроводниках.
Спрос на керамику из карбида кремния с высокой теплопроводностью резко возрос.
В связи с непрерывным развитием науки и техники, спрос на применение керамики из карбида кремния в полупроводниковой промышленности резко возрос, а высокая теплопроводность является ключевым показателем для ее применения в компонентах оборудования для производства полупроводников. Поэтому крайне важно активизировать исследования в области керамики из карбида кремния с высокой теплопроводностью. Снижение содержания кислорода в кристаллической решетке, повышение плотности и разумное регулирование распределения второй фазы в решетке являются основными методами повышения теплопроводности керамики из карбида кремния.
В настоящее время в моей стране проведено мало исследований керамики из карбида кремния с высокой теплопроводностью, и по сравнению с мировым уровнем всё ещё существует большой разрыв. Будущие направления исследований включают:
●Усилить исследования процесса получения порошка керамического карбида кремния. Получение высокочистого порошка карбида кремния с низким содержанием кислорода является основой для получения керамики из карбида кремния с высокой теплопроводностью;
● Усилить отбор добавок для спекания и соответствующие теоретические исследования;
●Усиление исследований и разработок высокотехнологичного оборудования для спекания. Регулирование процесса спекания для получения оптимальной микроструктуры является необходимым условием для получения высокотеплопроводной керамики из карбида кремния.
Меры по повышению теплопроводности керамики из карбида кремния.
Ключ к повышению теплопроводности SiC-керамики заключается в снижении частоты рассеяния фононов и увеличении средней длины свободного пробега фононов. Эффективное повышение теплопроводности SiC достигается за счет уменьшения пористости и плотности границ зерен SiC-керамики, повышения чистоты границ зерен SiC, уменьшения количества примесей или дефектов в кристаллической решетке SiC и увеличения количества носителей теплового потока в SiC. В настоящее время оптимизация типа и содержания спекающих добавок и высокотемпературная термообработка являются основными мерами по повышению теплопроводности SiC-керамики.
① Оптимизация типа и содержания спекающих добавок
При приготовлении высокотеплопроводной SiC-керамики часто добавляют различные спекающие добавки. Тип и содержание спекающих добавок оказывают большое влияние на теплопроводность SiC-керамики. Например, элементы Al или O в спекающих добавках системы Al2O3 легко растворяются в кристаллической решетке SiC, вызывая образование вакансий и дефектов, что приводит к увеличению частоты рассеяния фононов. Кроме того, при низком содержании спекающих добавок материал трудно спекать и уплотнять, тогда как высокое содержание приводит к увеличению количества примесей и дефектов. Избыток жидкофазных спекающих добавок также может подавлять рост зерен SiC и уменьшать среднюю длину свободного пробега фононов. Следовательно, для получения высокотеплопроводной SiC-керамики необходимо максимально снизить содержание спекающих добавок, сохраняя при этом требования к плотности спекания, и постараться выбрать спекающие добавки, которые трудно растворяются в кристаллической решетке SiC.
*Тепловые свойства керамики SiC при добавлении различных спекающих добавок
В настоящее время горячепрессованная SiC-керамика, спеченная с использованием BeO в качестве спекающей добавки, обладает максимальной теплопроводностью при комнатной температуре (270 Вт·м⁻¹·К⁻¹). Однако BeO является высокотоксичным и канцерогенным материалом, поэтому не подходит для широкого применения в лабораториях или промышленности. Самая низкая эвтектическая точка системы Y₂O₃-Al₂O₃ составляет 1760℃, что соответствует распространенной жидкофазной спекающей добавке для SiC-керамики. Однако, поскольку Al³⁺ легко растворяется в кристаллической решетке SiC, при использовании этой системы в качестве спекающей добавки теплопроводность SiC-керамики при комнатной температуре составляет менее 200 Вт·м⁻¹·К⁻¹.
Редкоземельные элементы, такие как Y, Sm, Sc, Gd и La, плохо растворяются в кристаллической решетке SiC и обладают высоким сродством к кислороду, что позволяет эффективно снижать содержание кислорода в решетке SiC. Поэтому система Y2O3-RE2O3 (RE = Sm, Sc, Gd, La) является распространенной добавкой для спекания при получении керамики SiC с высокой теплопроводностью (>200 Вт·м⁻¹·К⁻¹). В качестве примера рассмотрим добавку для спекания Y2O3-Sc2O3: значение отклонения ионов Y³⁺ и Si⁴⁺ велико, и эти два элемента не образуют твердых растворов. Растворимость Sc в чистом SiC при 1800–2600 ℃ невелика, около (2–3) × 10¹⁷ атомов·см⁻³.
② Высокотемпературная термообработка
Высокотемпературная термообработка керамики SiC способствует устранению дефектов кристаллической решетки, дислокаций и остаточных напряжений, ускоряет структурную трансформацию некоторых аморфных материалов в кристаллы и ослабляет эффект рассеяния фононов. Кроме того, высокотемпературная термообработка может эффективно способствовать росту зерен SiC и, в конечном итоге, улучшить тепловые свойства материала. Например, после высокотемпературной термообработки при 1950 °C коэффициент тепловой диффузии керамики SiC увеличился с 83,03 мм²·с⁻¹ до 89,50 мм²·с⁻¹, а теплопроводность при комнатной температуре увеличилась с 180,94 Вт·м⁻¹·К⁻¹ до 192,17 Вт·м⁻¹·К⁻¹. Высокотемпературная термообработка эффективно улучшает способность спекающей добавки к восстановлению поверхности и кристаллической решетки SiC и делает связь между зернами SiC более прочной. После высокотемпературной термообработки теплопроводность керамики SiC при комнатной температуре значительно улучшилась.
Дата публикации: 24 октября 2024 г.