අර්ධ සන්නායක ක්ෂේත්‍රයේ ඉහළ තාප සන්නායකතා SiC සෙරමික් සඳහා ඉල්ලුම සහ යෙදීම

දැනට,සිලිකන් කාබයිඩ් (SiC)දේශීය හා විදේශීය වශයෙන් ක්‍රියාකාරීව අධ්‍යයනය කරන තාප සන්නායක සෙරමික් ද්‍රව්‍යයකි. SiC හි න්‍යායාත්මක තාප සන්නායකතාවය ඉතා ඉහළ වන අතර සමහර ස්ඵටික ආකාර 270W/mK දක්වා ළඟා විය හැකි අතර එය දැනටමත් සන්නායක නොවන ද්‍රව්‍ය අතර ප්‍රමුඛයා වේ. උදාහරණයක් ලෙස, SiC තාප සන්නායකතාවයේ යෙදීම අර්ධ සන්නායක උපාංගවල උපස්ථර ද්‍රව්‍ය, ඉහළ තාප සන්නායකතා සෙරමික් ද්‍රව්‍ය, අර්ධ සන්නායක සැකසුම් සඳහා හීටර් සහ තාපන තහඩු, න්‍යෂ්ටික ඉන්ධන සඳහා කැප්සියුල ද්‍රව්‍ය සහ සම්පීඩක පොම්ප සඳහා ගෑස් මුද්‍රා තැබීමේ මුදු වල දැකිය හැකිය.

යෙදීමසිලිකන් කාබයිඩ්අර්ධ සන්නායක ක්ෂේත්‍රයේ

අර්ධ සන්නායක කර්මාන්තයේ සිලිකන් වේෆර් නිෂ්පාදනය සඳහා ඇඹරුම් තැටි සහ සවිකිරීම් වැදගත් ක්‍රියාවලි උපකරණ වේ. ඇඹරුම් තැටිය වාත්තු යකඩ හෝ කාබන් වානේ වලින් සාදා ඇත්නම්, එහි සේවා කාලය කෙටි වන අතර එහි තාප ප්‍රසාරණ සංගුණකය විශාල වේ. සිලිකන් වේෆර් සැකසීමේදී, විශේෂයෙන් අධිවේගී ඇඹරීමේදී හෝ ඔප දැමීමේදී, ඇඹරුම් තැටියේ ඇඳීම සහ තාප විරූපණය හේතුවෙන්, සිලිකන් වේෆර්හි පැතලි බව සහ සමාන්තරභාවය සහතික කිරීම දුෂ්කර ය. ඇඹරුම් තැටිය සෑදී ඇත්තේසිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික්එහි ඉහළ දෘඪතාව නිසා අඩු ගෙවී යාමක් ඇති අතර, එහි තාප ප්‍රසාරණ සංගුණකය මූලික වශයෙන් සිලිකන් වේෆර් වලට සමාන බැවින්, එය අධික වේගයෙන් ඇඹරීමට සහ ඔප දැමීමට හැකිය.

ඊට අමතරව, සිලිකන් වේෆර් නිපදවන විට, ඒවාට ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීමකට භාජනය වීමට අවශ්‍ය වන අතර බොහෝ විට සිලිකන් කාබයිඩ් සවිකිරීම් භාවිතයෙන් ප්‍රවාහනය කෙරේ. ඒවා තාප ප්‍රතිරෝධී සහ විනාශකාරී නොවේ. කාර්ය සාධනය වැඩි දියුණු කිරීම, වේෆර් හානිය අවම කිරීම සහ දූෂණය පැතිරීම වැළැක්වීම සඳහා දියමන්ති වැනි කාබන් (DLC) සහ අනෙකුත් ආලේපන මතුපිටට යෙදිය හැකිය.

තවද, තුන්වන පරම්පරාවේ පුළුල් කලාප පරතරය අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යවල නියෝජිතයෙකු ලෙස, සිලිකන් කාබයිඩ් තනි ස්ඵටික ද්‍රව්‍ය විශාල කලාප පරතරය පළල (Si මෙන් 3 ගුණයක් පමණ), ඉහළ තාප සන්නායකතාවය (Si මෙන් 3.3 ගුණයක් හෝ GaA මෙන් 10 ගුණයක් පමණ), ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝන සන්තෘප්ත සංක්‍රමණ අනුපාතය (Si මෙන් 2.5 ගුණයක් පමණ) සහ ඉහළ බිඳවැටීමේ විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය (Si මෙන් 10 ගුණයක් හෝ GaA මෙන් 5 ගුණයක් පමණ) වැනි ගුණාංග ඇත. SiC උපාංග ප්‍රායෝගික යෙදීම්වල සාම්ප්‍රදායික අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍ය උපාංගවල දෝෂ සඳහා වන්දි ලබා දෙන අතර ක්‍රමයෙන් බල අර්ධ සන්නායකවල ප්‍රධාන ධාරාව බවට පත්වෙමින් තිබේ.

ඉහළ තාප සන්නායකතාවක් සහිත සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් සඳහා ඇති ඉල්ලුම නාටකාකාර ලෙස ඉහළ ගොස් තිබේ.

විද්‍යාවේ හා තාක්‍ෂණයේ අඛණ්ඩ සංවර්ධනයත් සමඟ, අර්ධ සන්නායක ක්ෂේත්‍රයේ සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් යෙදීම සඳහා ඇති ඉල්ලුම නාටකාකාර ලෙස ඉහළ ගොස් ඇති අතර, අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදන උපකරණ සංරචකවල එහි යෙදුම සඳහා ඉහළ තාප සන්නායකතාවය ප්‍රධාන දර්ශකයකි. එබැවින්, ඉහළ තාප සන්නායකතා සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් පිළිබඳ පර්යේෂණ ශක්තිමත් කිරීම ඉතා වැදගත් වේ. දැලිස් ඔක්සිජන් අන්තර්ගතය අඩු කිරීම, ඝනත්වය වැඩි දියුණු කිරීම සහ දැලිස් වල දෙවන අදියර බෙදා හැරීම සාධාරණ ලෙස නියාමනය කිරීම සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවය වැඩි දියුණු කිරීමේ ප්‍රධාන ක්‍රම වේ.

වර්තමානයේ, මගේ රටේ ඉහළ තාප සන්නායකතා සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් පිළිබඳ අධ්‍යයනයන් ස්වල්පයක් ඇති අතර, ලෝක මට්ටම හා සසඳන විට තවමත් විශාල පරතරයක් පවතී. අනාගත පර්යේෂණ දිශාවන්ට ඇතුළත් වන්නේ:
●සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් කුඩු සකස් කිරීමේ ක්‍රියාවලි පර්යේෂණ ශක්තිමත් කිරීම. ඉහළ සංශුද්ධතාවයකින් යුත්, අඩු ඔක්සිජන් සහිත සිලිකන් කාබයිඩ් කුඩු සකස් කිරීම ඉහළ තාප සන්නායකතාවයකින් යුත් සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් සකස් කිරීම සඳහා පදනම වේ;
● සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක සහ අදාළ න්‍යායික පර්යේෂණ තෝරා ගැනීම ශක්තිමත් කිරීම;
●ඉහළ මට්ටමේ සින්ටර් කිරීමේ උපකරණ පර්යේෂණ සහ සංවර්ධනය ශක්තිමත් කිරීම. සාධාරණ ක්ෂුද්‍ර ව්‍යුහයක් ලබා ගැනීම සඳහා සින්ටර් කිරීමේ ක්‍රියාවලිය නියාමනය කිරීමෙන්, ඉහළ තාප සන්නායකතා සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් ලබා ගැනීම අත්‍යවශ්‍ය කොන්දේසියකි.

සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා පියවර

SiC සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවය වැඩි දියුණු කිරීමේ යතුර වන්නේ ෆෝනෝන විසිරුම් සංඛ්‍යාතය අඩු කිරීම සහ ෆෝනෝන මධ්‍යන්‍ය නිදහස් මාර්ගය වැඩි කිරීමයි. SiC සෙරමික් වල සිදුරු සහ ධාන්‍ය මායිම් ඝනත්වය අඩු කිරීම, SiC ධාන්‍ය මායිම්වල සංශුද්ධතාවය වැඩි දියුණු කිරීම, SiC දැලිස් අපද්‍රව්‍ය හෝ දැලිස් දෝෂ අඩු කිරීම සහ SiC හි තාප ප්‍රවාහ සම්ප්‍රේෂණ වාහකය වැඩි කිරීම මගින් SiC හි තාප සන්නායකතාවය ඵලදායී ලෙස වැඩිදියුණු කරනු ඇත. වර්තමානයේ, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල වර්ගය සහ අන්තර්ගතය ප්‍රශස්ත කිරීම සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම SiC සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවය වැඩි දියුණු කිරීමේ ප්‍රධාන පියවර වේ.

① සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක වර්ගය සහ අන්තර්ගතය ප්‍රශස්ත කිරීම

ඉහළ තාප සන්නායකතා SiC සෙරමික් සකස් කිරීමේදී විවිධ සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක බොහෝ විට එකතු කරනු ලැබේ. ඒවා අතර, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල වර්ගය සහ අන්තර්ගතය SiC සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවයට විශාල බලපෑමක් ඇති කරයි. උදාහරණයක් ලෙස, Al2O3 පද්ධති සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල Al හෝ O මූලද්‍රව්‍ය පහසුවෙන් SiC දැලිස තුළට දියවන අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස හිස්තැන් සහ දෝෂ ඇති වන අතර එමඟින් ෆෝනෝන් විසිරුම් සංඛ්‍යාතය වැඩි වේ. ඊට අමතරව, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල අන්තර්ගතය අඩු නම්, ද්‍රව්‍යය සින්ටර් කිරීමට සහ ඝනත්වයට පත් කිරීමට අපහසු වන අතර, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල ඉහළ අන්තර්ගතයක් අපිරිසිදුකම් සහ දෝෂ වැඩි වීමට හේතු වේ. අධික ද්‍රව අවධි සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක SiC ධාන්‍යවල වර්ධනය වළක්වන අතර ෆෝනෝනවල මධ්‍යන්‍ය නිදහස් මාර්ගය අඩු කරයි. එබැවින්, ඉහළ තාප සන්නායකතා SiC සෙරමික් සකස් කිරීම සඳහා, සින්ටර් කිරීමේ ඝනත්වයේ අවශ්‍යතා සපුරාලන අතරතුර සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල අන්තර්ගතය හැකිතාක් අඩු කිරීම අවශ්‍ය වන අතර, SiC දැලිසෙහි දියවීමට අපහසු සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක තෝරා ගැනීමට උත්සාහ කරන්න.

*විවිධ සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක එකතු කළ විට SiC සෙරමික් වල තාප ගුණාංග

වර්තමානයේ, BeO සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයක් ලෙස සින්ටර් කරන ලද උණුසුම්-පීඩිත SiC සෙරමික් වල උපරිම කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාවය (270W·m-1·K-1) ඇත. කෙසේ වෙතත්, BeO යනු ඉතා විෂ සහිත ද්‍රව්‍යයක් සහ පිළිකා කාරකයක් වන අතර රසායනාගාරවල හෝ කාර්මික ක්ෂේත්‍රවල පුළුල් ලෙස යෙදීම සඳහා සුදුසු නොවේ. Y2O3-Al2O3 පද්ධතියේ අවම යුටෙක්ටික් ලක්ෂ්‍යය 1760℃ වන අතර එය SiC සෙරමික් සඳහා පොදු ද්‍රව-අදියර සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයකි. කෙසේ වෙතත්, Al3+ පහසුවෙන් SiC දැලිස තුළට විසුරුවා හරින බැවින්, මෙම පද්ධතිය සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයක් ලෙස භාවිතා කරන විට, SiC සෙරමික් වල කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාවය 200W·m-1·K-1 ට වඩා අඩුය.

Y, Sm, Sc, Gd සහ La වැනි දුර්ලභ පාංශු මූලද්‍රව්‍ය SiC දැලිස් වල පහසුවෙන් ද්‍රාව්‍ය නොවන අතර ඉහළ ඔක්සිජන් සම්බන්ධතාවයක් ඇති අතර එමඟින් SiC දැලිස් වල ඔක්සිජන් අන්තර්ගතය ඵලදායී ලෙස අඩු කළ හැකිය. එබැවින්, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) පද්ධතිය ඉහළ තාප සන්නායකතාවය (>200W·m-1·K-1) SiC සෙරමික් සකස් කිරීම සඳහා පොදු සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයකි. උදාහරණයක් ලෙස Y2O3-Sc2O3 පද්ධති සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකය ගත් විට, Y3+ සහ Si4+ හි අයන අපගමනය අගය විශාල වන අතර, දෙක ඝන ද්‍රාවණයකට භාජනය නොවේ. 1800~2600℃ දී පිරිසිදු SiC හි Sc හි ද්‍රාව්‍යතාව කුඩා වේ, (2~3)×1017atoms·cm-3 පමණ වේ.

② ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම

SiC සෙරමික් වල ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම දැලිස් දෝෂ, විස්ථාපනය සහ අවශේෂ ආතතීන් ඉවත් කිරීමට, සමහර අස්ඵටික ද්‍රව්‍ය ස්ඵටික බවට ව්‍යුහාත්මක පරිවර්තනය ප්‍රවර්ධනය කිරීමට සහ ෆෝනෝන් විසිරුම් ආචරණය දුර්වල කිරීමට හිතකර වේ. ඊට අමතරව, ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම SiC ධාන්‍යවල වර්ධනය ඵලදායී ලෙස ප්‍රවර්ධනය කළ හැකි අතර අවසානයේ ද්‍රව්‍යයේ තාප ගුණාංග වැඩි දියුණු කළ හැකිය. උදාහරණයක් ලෙස, 1950°C දී ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීමෙන් පසු, SiC සෙරමික් වල තාප විසරණ සංගුණකය 83.03mm2·s-1 සිට 89.50mm2·s-1 දක්වා වැඩි වූ අතර කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාවය 180.94W·m-1·K-1 සිට 192.17W·m-1·K-1 දක්වා වැඩි විය. ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම SiC මතුපිට සහ දැලිස් මත සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයේ ඔක්සිකරණ හැකියාව ඵලදායී ලෙස වැඩි දියුණු කරන අතර SiC ධාන්‍ය අතර සම්බන්ධතාවය දැඩි කරයි. ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීමෙන් පසු, SiC සෙරමික් වල කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාවය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කර ඇත.