సెమీకండక్టర్ రంగంలో అధిక ఉష్ణ వాహకత SiC సిరామిక్స్ యొక్క డిమాండ్ మరియు అప్లికేషన్

ప్రస్తుతం,సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC)స్వదేశంలో మరియు విదేశాలలో చురుకుగా అధ్యయనం చేయబడే ఉష్ణ వాహక సిరామిక్ పదార్థం. SiC యొక్క సైద్ధాంతిక ఉష్ణ వాహకత చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు కొన్ని క్రిస్టల్ రూపాలు 270W/mKకి చేరుకోగలవు, ఇది ఇప్పటికే వాహకత లేని పదార్థాలలో అగ్రగామిగా ఉంది. ఉదాహరణకు, SiC ఉష్ణ వాహకత యొక్క అనువర్తనాన్ని సెమీకండక్టర్ పరికరాల ఉపరితల పదార్థాలు, అధిక ఉష్ణ వాహకత సిరామిక్ పదార్థాలు, సెమీకండక్టర్ ప్రాసెసింగ్ కోసం హీటర్లు మరియు తాపన ప్లేట్లు, అణు ఇంధనం కోసం క్యాప్సూల్ పదార్థాలు మరియు కంప్రెసర్ పంపుల కోసం గ్యాస్ సీలింగ్ రింగ్‌లలో చూడవచ్చు.

అప్లికేషన్సిలికాన్ కార్బైడ్సెమీకండక్టర్ రంగంలో

సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో సిలికాన్ వేఫర్ ఉత్పత్తికి గ్రైండింగ్ డిస్క్‌లు మరియు ఫిక్చర్‌లు ముఖ్యమైన ప్రాసెస్ పరికరాలు. గ్రైండింగ్ డిస్క్ కాస్ట్ ఇనుము లేదా కార్బన్ స్టీల్‌తో తయారు చేయబడితే, దాని సేవా జీవితం తక్కువగా ఉంటుంది మరియు దాని ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం ఎక్కువగా ఉంటుంది. సిలికాన్ వేఫర్‌ల ప్రాసెసింగ్ సమయంలో, ముఖ్యంగా హై-స్పీడ్ గ్రైండింగ్ లేదా పాలిషింగ్ సమయంలో, గ్రైండింగ్ డిస్క్ యొక్క దుస్తులు మరియు ఉష్ణ వైకల్యం కారణంగా, సిలికాన్ వేఫర్ యొక్క ఫ్లాట్‌నెస్ మరియు సమాంతరతకు హామీ ఇవ్వడం కష్టం. గ్రైండింగ్ డిస్క్ తయారు చేయబడిందిసిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్అధిక కాఠిన్యం కారణంగా తక్కువ దుస్తులు ధరిస్తుంది మరియు దాని ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం ప్రాథమికంగా సిలికాన్ వేఫర్‌ల మాదిరిగానే ఉంటుంది, కాబట్టి దీనిని అధిక వేగంతో గ్రౌండ్ చేసి పాలిష్ చేయవచ్చు.

అదనంగా, సిలికాన్ వేఫర్‌లను ఉత్పత్తి చేసినప్పుడు, అవి అధిక-ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్సకు లోనవుతాయి మరియు తరచుగా సిలికాన్ కార్బైడ్ ఫిక్చర్‌లను ఉపయోగించి రవాణా చేయబడతాయి. అవి వేడి-నిరోధకత మరియు విధ్వంసకరం కాదు. పనితీరును మెరుగుపరచడానికి, వేఫర్ నష్టాన్ని తగ్గించడానికి మరియు కాలుష్యం వ్యాప్తి చెందకుండా నిరోధించడానికి డైమండ్ లాంటి కార్బన్ (DLC) మరియు ఇతర పూతలను ఉపరితలంపై పూయవచ్చు.

ఇంకా, మూడవ తరం వైడ్-బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ పదార్థాల ప్రతినిధిగా, సిలికాన్ కార్బైడ్ సింగిల్ క్రిస్టల్ పదార్థాలు పెద్ద బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు (Si కంటే దాదాపు 3 రెట్లు), అధిక ఉష్ణ వాహకత (Si కంటే దాదాపు 3.3 రెట్లు లేదా GaAల కంటే 10 రెట్లు), అధిక ఎలక్ట్రాన్ సంతృప్త వలస రేటు (Si కంటే దాదాపు 2.5 రెట్లు) మరియు అధిక బ్రేక్‌డౌన్ విద్యుత్ క్షేత్రం (Si కంటే దాదాపు 10 రెట్లు లేదా GaAల కంటే 5 రెట్లు) వంటి లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి. SiC పరికరాలు ఆచరణాత్మక అనువర్తనాల్లో సాంప్రదాయ సెమీకండక్టర్ పదార్థ పరికరాల లోపాలను భర్తీ చేస్తాయి మరియు క్రమంగా పవర్ సెమీకండక్టర్ల ప్రధాన స్రవంతిలోకి మారుతున్నాయి.

అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌కు డిమాండ్ నాటకీయంగా పెరిగింది.

సైన్స్ మరియు టెక్నాలజీ నిరంతర అభివృద్ధితో, సెమీకండక్టర్ రంగంలో సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క అప్లికేషన్ కోసం డిమాండ్ నాటకీయంగా పెరిగింది మరియు సెమీకండక్టర్ తయారీ పరికరాల భాగాలలో దాని అప్లికేషన్‌కు అధిక ఉష్ణ వాహకత కీలక సూచిక. అందువల్ల, అధిక ఉష్ణ వాహకత సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌పై పరిశోధనను బలోపేతం చేయడం చాలా ముఖ్యం. లాటిస్ ఆక్సిజన్ కంటెంట్‌ను తగ్గించడం, సాంద్రతను మెరుగుపరచడం మరియు లాటిస్‌లోని రెండవ దశ పంపిణీని సహేతుకంగా నియంత్రించడం సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరచడానికి ప్రధాన పద్ధతులు.

ప్రస్తుతం, నా దేశంలో అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్‌పై కొన్ని అధ్యయనాలు మాత్రమే ఉన్నాయి మరియు ప్రపంచ స్థాయితో పోలిస్తే ఇప్పటికీ చాలా అంతరం ఉంది. భవిష్యత్ పరిశోధన దిశలలో ఇవి ఉన్నాయి:
●సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్ పౌడర్ తయారీ ప్రక్రియ పరిశోధనను బలోపేతం చేయండి. అధిక స్వచ్ఛత, తక్కువ-ఆక్సిజన్ సిలికాన్ కార్బైడ్ పౌడర్ తయారీ అధిక ఉష్ణ వాహకత సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ తయారీకి ఆధారం;
● సింటరింగ్ సహాయాలు మరియు సంబంధిత సైద్ధాంతిక పరిశోధనల ఎంపికను బలోపేతం చేయడం;
●అధునాతన సింటరింగ్ పరికరాల పరిశోధన మరియు అభివృద్ధిని బలోపేతం చేయండి. సహేతుకమైన సూక్ష్మ నిర్మాణాన్ని పొందడానికి సింటరింగ్ ప్రక్రియను నియంత్రించడం ద్వారా, అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్‌లను పొందడం తప్పనిసరి.

సిలికాన్ కార్బైడ్ సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరచడానికి చర్యలు

SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరచడంలో కీలకం ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీని తగ్గించడం మరియు ఫోనాన్ సగటు ఉచిత మార్గాన్ని పెంచడం. SiC సిరామిక్స్ యొక్క సచ్ఛిద్రత మరియు ధాన్యం సరిహద్దు సాంద్రతను తగ్గించడం, SiC ధాన్యం సరిహద్దుల స్వచ్ఛతను మెరుగుపరచడం, SiC లాటిస్ మలినాలు లేదా లాటిస్ లోపాలను తగ్గించడం మరియు SiCలో ఉష్ణ ప్రవాహ ప్రసార వాహకాన్ని పెంచడం ద్వారా SiC యొక్క ఉష్ణ వాహకత సమర్థవంతంగా మెరుగుపడుతుంది. ప్రస్తుతం, సింటరింగ్ సహాయాల రకం మరియు కంటెంట్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేయడం మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్స అనేది SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతను మెరుగుపరచడానికి ప్రధాన చర్యలు.

① సింటరింగ్ ఎయిడ్స్ రకం మరియు కంటెంట్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేయడం

అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన SiC సిరామిక్స్‌ను తయారు చేసేటప్పుడు వివిధ సింటరింగ్ సహాయాలను తరచుగా జోడించబడతాయి. వాటిలో, సింటరింగ్ సహాయాల రకం మరియు కంటెంట్ SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వాహకతపై గొప్ప ప్రభావాన్ని చూపుతాయి. ఉదాహరణకు, Al2O3 సిస్టమ్ సింటరింగ్ సహాయాలలోని Al లేదా O మూలకాలు SiC లాటిస్‌లో సులభంగా కరిగిపోతాయి, ఫలితంగా ఖాళీలు మరియు లోపాలు ఏర్పడతాయి, ఇది ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది. అదనంగా, సింటరింగ్ సహాయాల కంటెంట్ తక్కువగా ఉంటే, పదార్థం సింటరింగ్ మరియు సాంద్రత చెందడం కష్టం, అయితే సింటరింగ్ సహాయాల యొక్క అధిక కంటెంట్ మలినాలు మరియు లోపాల పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది. అధిక ద్రవ దశ సింటరింగ్ సహాయాలు SiC ధాన్యాల పెరుగుదలను కూడా నిరోధించవచ్చు మరియు ఫోనాన్‌ల సగటు ఉచిత మార్గాన్ని తగ్గించవచ్చు. అందువల్ల, అధిక ఉష్ణ వాహకత కలిగిన SiC సిరామిక్స్‌ను సిద్ధం చేయడానికి, సింటరింగ్ సాంద్రత యొక్క అవసరాలను తీర్చేటప్పుడు సింటరింగ్ సహాయాల కంటెంట్‌ను వీలైనంత వరకు తగ్గించడం అవసరం మరియు SiC లాటిస్‌లో కరిగించడం కష్టతరమైన సింటరింగ్ సహాయాలను ఎంచుకోవడానికి ప్రయత్నించండి.

*వివిధ సింటరింగ్ సహాయాలను జోడించినప్పుడు SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ లక్షణాలు

ప్రస్తుతం, BeO తో సింటరింగ్ సహాయంగా సింటరింగ్ చేయబడిన వేడి-ఒత్తిడి చేయబడిన SiC సిరామిక్స్ గరిష్ట గది-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ వాహకత (270W·m-1·K-1) కలిగి ఉంటాయి. అయితే, BeO అనేది అత్యంత విషపూరితమైన పదార్థం మరియు క్యాన్సర్ కారకమైనది మరియు ప్రయోగశాలలు లేదా పారిశ్రామిక రంగాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించటానికి తగినది కాదు. Y2O3-Al2O3 వ్యవస్థ యొక్క అత్యల్ప యూటెక్టిక్ పాయింట్ 1760℃, ఇది SiC సిరామిక్స్ కోసం ఒక సాధారణ ద్రవ-దశ సింటరింగ్ సహాయం. అయితే, Al3+ సులభంగా SiC లాటిస్‌లో కరిగిపోతుంది కాబట్టి, ఈ వ్యవస్థను సింటరింగ్ సహాయంగా ఉపయోగించినప్పుడు, SiC సిరామిక్స్ యొక్క గది-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ వాహకత 200W·m-1·K-1 కంటే తక్కువగా ఉంటుంది.

Y, Sm, Sc, Gd మరియు La వంటి అరుదైన భూమి మూలకాలు SiC లాటిస్‌లో సులభంగా కరగవు మరియు అధిక ఆక్సిజన్ అనుబంధాన్ని కలిగి ఉంటాయి, ఇవి SiC లాటిస్ యొక్క ఆక్సిజన్ కంటెంట్‌ను సమర్థవంతంగా తగ్గించగలవు. అందువల్ల, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) వ్యవస్థ అనేది అధిక ఉష్ణ వాహకత (>200W·m-1·K-1) SiC సిరామిక్‌లను తయారు చేయడానికి ఒక సాధారణ సింటరింగ్ సహాయం. Y2O3-Sc2O3 సిస్టమ్ సింటరింగ్ సహాయాన్ని ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, Y3+ మరియు Si4+ యొక్క అయాన్ విచలనం విలువ పెద్దది, మరియు రెండూ ఘన ద్రావణంలోకి వెళ్లవు. 1800~2600℃ వద్ద స్వచ్ఛమైన SiCలో Sc యొక్క ద్రావణీయత చిన్నది, సుమారు (2~3)×1017atoms·cm-3.

② అధిక ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్స

SiC సిరామిక్స్ యొక్క అధిక ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్స లాటిస్ లోపాలు, డిస్లోకేషన్లు మరియు అవశేష ఒత్తిళ్లను తొలగించడానికి, కొన్ని నిరాకార పదార్థాలను స్ఫటికాలుగా నిర్మాణాత్మకంగా మార్చడాన్ని ప్రోత్సహించడానికి మరియు ఫోనాన్ స్కాటరింగ్ ప్రభావాన్ని బలహీనపరచడానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అదనంగా, అధిక-ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్స SiC గ్రెయిన్‌ల పెరుగుదలను సమర్థవంతంగా ప్రోత్సహిస్తుంది మరియు చివరికి పదార్థం యొక్క ఉష్ణ లక్షణాలను మెరుగుపరుస్తుంది. ఉదాహరణకు, 1950°C వద్ద అధిక-ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్స తర్వాత, SiC సిరామిక్స్ యొక్క ఉష్ణ వ్యాప్తి గుణకం 83.03mm2·s-1 నుండి 89.50mm2·s-1కి పెరిగింది మరియు గది-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ వాహకత 180.94W·m-1·K-1 నుండి 192.17W·m-1·K-1కి పెరిగింది. అధిక-ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్స SiC ఉపరితలం మరియు లాటిస్‌పై సింటరింగ్ సహాయం యొక్క డీఆక్సిడేషన్ సామర్థ్యాన్ని సమర్థవంతంగా మెరుగుపరుస్తుంది మరియు SiC గ్రెయిన్‌ల మధ్య సంబంధాన్ని గట్టిగా చేస్తుంది. అధిక-ఉష్ణోగ్రత వేడి చికిత్స తర్వాత, SiC సిరామిక్స్ యొక్క గది-ఉష్ణోగ్రత ఉష్ణ వాహకత గణనీయంగా మెరుగుపరచబడింది.