సెమీకండక్టర్ రంగంలో అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన SiC సిరామిక్‌ల డిమాండ్ మరియు అనువర్తనం

ప్రస్తుతం,సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC)SiC అనేది దేశ విదేశాలలో చురుకుగా అధ్యయనం చేయబడుతున్న ఒక ఉష్ణ వాహక సిరామిక్ పదార్థం. SiC యొక్క సైద్ధాంతిక ఉష్ణ వాహకత చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది, మరియు కొన్ని స్ఫటికాకార రూపాలు 270W/mK వరకు చేరుకోగలవు, ఇది ఇప్పటికే అవాహక పదార్థాలలో అగ్రగామిగా ఉంది. ఉదాహరణకు, సెమీకండక్టర్ పరికరాల సబ్‌స్ట్రేట్ పదార్థాలు, అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సిరామిక్ పదార్థాలు, సెమీకండక్టర్ ప్రాసెసింగ్ కోసం హీటర్లు మరియు హీటింగ్ ప్లేట్లు, అణు ఇంధనం కోసం క్యాప్సూల్ పదార్థాలు, మరియు కంప్రెసర్ పంపుల కోసం గ్యాస్ సీలింగ్ రింగులలో SiC ఉష్ణ వాహకత యొక్క అనువర్తనాలను చూడవచ్చు.

అప్లికేషన్సిలికాన్ కార్బైడ్సెమీకండక్టర్ రంగంలో

సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో సిలికాన్ వేఫర్ ఉత్పత్తికి గ్రైండింగ్ డిస్క్‌లు మరియు ఫిక్చర్‌లు ముఖ్యమైన ప్రక్రియ పరికరాలు. గ్రైండింగ్ డిస్క్‌ను కాస్ట్ ఐరన్ లేదా కార్బన్ స్టీల్‌తో తయారు చేస్తే, దాని సేవా కాలం తక్కువగా ఉంటుంది మరియు దాని ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం ఎక్కువగా ఉంటుంది. సిలికాన్ వేఫర్‌లను ప్రాసెస్ చేసేటప్పుడు, ముఖ్యంగా అధిక-వేగ గ్రైండింగ్ లేదా పాలిషింగ్ చేసేటప్పుడు, గ్రైండింగ్ డిస్క్ అరుగుదల మరియు ఉష్ణ వైకల్యం కారణంగా, సిలికాన్ వేఫర్ యొక్క సమతలం మరియు సమాంతరతకు హామీ ఇవ్వడం కష్టం.సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్దీని అధిక కాఠిన్యం కారణంగా అరుగుదల తక్కువగా ఉంటుంది, మరియు దీని ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం ప్రాథమికంగా సిలికాన్ వేఫర్‌ల మాదిరిగానే ఉంటుంది, కాబట్టి దీనిని అధిక వేగంతో గ్రైండింగ్ మరియు పాలిషింగ్ చేయవచ్చు.

దీనికి అదనంగా, సిలికాన్ వేఫర్‌లను ఉత్పత్తి చేసేటప్పుడు, వాటికి అధిక-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ చికిత్స చేయవలసి ఉంటుంది మరియు తరచుగా సిలికాన్ కార్బైడ్ ఫిక్చర్‌లను ఉపయోగించి రవాణా చేయబడతాయి. అవి ఉష్ణ-నిరోధకమైనవి మరియు నాశనం కానివి. పనితీరును మెరుగుపరచడానికి, వేఫర్ నష్టాన్ని తగ్గించడానికి మరియు కాలుష్యం వ్యాప్తి చెందకుండా నిరోధించడానికి ఉపరితలంపై డైమండ్-లైక్ కార్బన్ (DLC) మరియు ఇతర పూతలను పూయవచ్చు.

అంతేకాకుండా, మూడవ తరం వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పదార్థాలకు ప్రతినిధిగా, సిలికాన్ కార్బైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ పదార్థాలు పెద్ద బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు (Si కన్నా సుమారు 3 రెట్లు), అధిక ఉష్ణ వాహకత (Si కన్నా సుమారు 3.3 రెట్లు లేదా GaAs కన్నా 10 రెట్లు), అధిక ఎలక్ట్రాన్ సాచురేషన్ మైగ్రేషన్ రేటు (Si కన్నా సుమారు 2.5 రెట్లు) మరియు అధిక బ్రేక్‌డౌన్ ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ (Si కన్నా సుమారు 10 రెట్లు లేదా GaAs కన్నా 5 రెట్లు) వంటి లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి. SiC పరికరాలు ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలలో సాంప్రదాయ సెమీకండక్టర్ పదార్థ పరికరాల లోపాలను భర్తీ చేస్తాయి మరియు క్రమంగా పవర్ సెమీకండక్టర్లలో ప్రధాన స్రవంతిగా మారుతున్నాయి.

అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌కు డిమాండ్ గణనీయంగా పెరిగింది.

విజ్ఞాన, సాంకేతిక రంగాల నిరంతర అభివృద్ధి కారణంగా, సెమీకండక్టర్ రంగంలో సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ వినియోగానికి డిమాండ్ గణనీయంగా పెరిగింది. సెమీకండక్టర్ తయారీ పరికరాల భాగాలలో దీని వినియోగానికి అధిక ఉష్ణ వాహకత ఒక కీలక సూచిక. అందువల్ల, అధిక ఉష్ణ వాహకత గల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌పై పరిశోధనను బలోపేతం చేయడం అత్యంత కీలకం. లాటిస్‌లోని ఆక్సిజన్ పరిమాణాన్ని తగ్గించడం, సాంద్రతను మెరుగుపరచడం, మరియు లాటిస్‌లో రెండవ దశ పంపిణీని హేతుబద్ధంగా నియంత్రించడం అనేవి సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరిచే ప్రధాన పద్ధతులు.

ప్రస్తుతం, మన దేశంలో అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌పై కొన్ని అధ్యయనాలు మాత్రమే జరిగాయి మరియు ప్రపంచ స్థాయితో పోలిస్తే ఇంకా చాలా అంతరం ఉంది. భవిష్యత్ పరిశోధనా దిశలు:
●సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్ పౌడర్ తయారీ ప్రక్రియ పరిశోధనను బలోపేతం చేయడం. అధిక స్వచ్ఛత, తక్కువ ఆక్సిజన్ ఉన్న సిలికాన్ కార్బైడ్ పౌడర్ తయారీ అనేది అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ తయారీకి ఆధారం;
● సింటరింగ్ సహాయకాల ఎంపిక మరియు సంబంధిత సైద్ధాంతిక పరిశోధనను బలోపేతం చేయండి;
● ఉన్నత శ్రేణి సింటరింగ్ పరికరాల పరిశోధన మరియు అభివృద్ధిని బలోపేతం చేయాలి. సహేతుకమైన సూక్ష్మ నిర్మాణాన్ని పొందేందుకు సింటరింగ్ ప్రక్రియను నియంత్రించడం, అధిక ఉష్ణ వాహకత గల సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌ను పొందడానికి అవసరమైన షరతు.

సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరచడానికి చర్యలు

SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరచడానికి ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీని తగ్గించడం మరియు ఫోనాన్ మీన్ ఫ్రీ పాత్‌ను పెంచడం కీలకం. SiC సిరామిక్స్‌లోని పోరోసిటీ మరియు గ్రెయిన్ బౌండరీ సాంద్రతను తగ్గించడం, SiC గ్రెయిన్ బౌండరీల స్వచ్ఛతను మెరుగుపరచడం, SiC లాటిస్ మలినాలను లేదా లాటిస్ లోపాలను తగ్గించడం, మరియు SiCలో ఉష్ణ ప్రవాహ ప్రసార వాహకాన్ని పెంచడం ద్వారా SiC యొక్క ఉష్ణ వాహకతను సమర్థవంతంగా మెరుగుపరచవచ్చు. ప్రస్తుతం, SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరచడానికి సింటరింగ్ సహాయకాల రకం మరియు పరిమాణాన్ని ఆప్టిమైజ్ చేయడం మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ చికిత్స అనేవి ప్రధాన చర్యలు.

① సింటరింగ్ సహాయకాల రకం మరియు కంటెంట్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేయడం

అధిక ఉష్ణ వాహకత గల SiC సిరామిక్స్‌ను తయారుచేసేటప్పుడు తరచుగా వివిధ సింటరింగ్ సహాయకాలను కలుపుతారు. వాటిలో, సింటరింగ్ సహాయకాల రకం మరియు పరిమాణం SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతపై గొప్ప ప్రభావాన్ని చూపుతాయి. ఉదాహరణకు, Al2O3 వ్యవస్థ సింటరింగ్ సహాయకాలలో ఉండే Al లేదా O మూలకాలు SiC లాటిస్‌లోకి సులభంగా కరిగిపోతాయి, దీని ఫలితంగా ఖాళీలు మరియు లోపాలు ఏర్పడతాయి, ఇది ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది. అదనంగా, సింటరింగ్ సహాయకాల పరిమాణం తక్కువగా ఉంటే, పదార్థం సింటర్ అవ్వడం మరియు సాంద్రీకరించడం కష్టమవుతుంది, అయితే సింటరింగ్ సహాయకాల పరిమాణం ఎక్కువగా ఉంటే మలినాలు మరియు లోపాలు పెరుగుతాయి. అధిక ద్రవ దశ సింటరింగ్ సహాయకాలు SiC కణాల పెరుగుదలను నిరోధించవచ్చు మరియు ఫోనాన్‌ల సగటు స్వేచ్ఛా మార్గాన్ని తగ్గించవచ్చు. అందువల్ల, అధిక ఉష్ణ వాహకత గల SiC సిరామిక్‌లను తయారు చేయడానికి, సింటరింగ్ సాంద్రత అవసరాలను తీరుస్తూనే సింటరింగ్ సహాయకాల పరిమాణాన్ని వీలైనంత వరకు తగ్గించడం, మరియు SiC లాటిస్‌లో కరగడానికి కష్టంగా ఉండే సింటరింగ్ సహాయకాలను ఎంచుకోవడానికి ప్రయత్నించడం అవసరం.

వివిధ సింటరింగ్ సహాయకాలను జోడించినప్పుడు SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ లక్షణాలు

ప్రస్తుతం, సింటరింగ్ సహాయకంగా BeO ను ఉపయోగించి హాట్-ప్రెస్డ్ పద్ధతిలో సింటరింగ్ చేసిన SiC సిరామిక్స్ గరిష్ట గది-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ వాహకతను (270W·m-1·K-1) కలిగి ఉన్నాయి. అయితే, BeO అత్యంత విషపూరితమైన మరియు క్యాన్సర్ కారక పదార్థం, మరియు ఇది ప్రయోగశాలలు లేదా పారిశ్రామిక రంగాలలో విస్తృత అనువర్తనానికి తగినది కాదు. Y2O3-Al2O3 వ్యవస్థ యొక్క అత్యల్ప యూటెక్టిక్ పాయింట్ 1760℃, ఇది SiC సిరామిక్స్ కోసం ఒక సాధారణ ద్రవ-దశ సింటరింగ్ సహాయకం. అయితే, Al3+ సులభంగా SiC లాటిస్‌లోకి కరిగిపోతుంది కాబట్టి, ఈ వ్యవస్థను సింటరింగ్ సహాయకంగా ఉపయోగించినప్పుడు, SiC సిరామిక్స్ యొక్క గది-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ వాహకత 200W·m-1·K-1 కంటే తక్కువగా ఉంటుంది.

Y, Sm, Sc, Gd మరియు La వంటి అరుదైన భూ మూలకాలు SiC లాటిస్‌లో సులభంగా కరగవు మరియు అధిక ఆక్సిజన్ అనుబంధాన్ని కలిగి ఉంటాయి, ఇది SiC లాటిస్ యొక్క ఆక్సిజన్ పరిమాణాన్ని సమర్థవంతంగా తగ్గిస్తుంది. అందువల్ల, అధిక ఉష్ణ వాహకత (>200W·m-1·K-1) గల SiC సిరామిక్స్‌ను తయారు చేయడానికి Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) వ్యవస్థ ఒక సాధారణ సింటరింగ్ సహాయకంగా ఉపయోగించబడుతుంది. Y2O3-Sc2O3 వ్యవస్థ సింటరింగ్ సహాయకాన్ని ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, Y3+ మరియు Si4+ ల అయాన్ విచలన విలువ ఎక్కువగా ఉంటుంది, మరియు ఈ రెండూ ఘన ద్రావణానికి లోనవవు. 1800~2600℃ వద్ద స్వచ్ఛమైన SiC లో Sc యొక్క ద్రావణీయత తక్కువగా ఉంటుంది, సుమారుగా (2~3)×1017 అణువులు·cm-3.

② అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ చికిత్స

SiC సిరామిక్స్‌కు అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద చేసే ఉష్ణ చికిత్స, లాటిస్ లోపాలు, డిస్‌లొకేషన్లు మరియు అవశేష ఒత్తిడులను తొలగించడానికి, కొన్ని నిరాకార పదార్థాల నిర్మాణ పరివర్తనను స్ఫటికాలుగా ప్రోత్సహించడానికి, మరియు ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ ప్రభావాన్ని బలహీనపరచడానికి దోహదపడుతుంది. అదనంగా, అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ చికిత్స SiC కణాల పెరుగుదలను సమర్థవంతంగా ప్రోత్సహించి, చివరికి ఆ పదార్థం యొక్క ఉష్ణ లక్షణాలను మెరుగుపరుస్తుంది. ఉదాహరణకు, 1950°C వద్ద అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ చికిత్స చేసిన తర్వాత, SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వ్యాపన గుణకం 83.03mm²·s⁻¹ నుండి 89.50mm²·s⁻¹కి పెరిగింది, మరియు గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉష్ణ వాహకత 180.94W·m⁻¹·K⁻¹ నుండి 192.17W·m⁻¹·K⁻¹కి పెరిగింది. అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ చికిత్స SiC ఉపరితలం మరియు లాటిస్‌పై ఉన్న సింటరింగ్ సహాయకం యొక్క డీఆక్సిడేషన్ సామర్థ్యాన్ని సమర్థవంతంగా మెరుగుపరుస్తుంది, మరియు SiC కణాల మధ్య బంధాన్ని మరింత బిగుతుగా చేస్తుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ చికిత్స తర్వాత, SiC సిరామిక్స్ యొక్క గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉష్ణ వాహకత గణనీయంగా మెరుగుపడింది.