ความต้องการและการประยุกต์ใช้เซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูงในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ตอนนี้,ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุเซรามิกนำความร้อนที่กำลังได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางทั้งในและต่างประเทศ ค่าการนำความร้อนทางทฤษฎีของ SiC นั้นสูงมาก และบางรูปแบบผลึกสามารถสูงถึง 270 วัตต์/เมตร-เคลวิน ซึ่งถือเป็นค่าชั้นนำในกลุ่มวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น การประยุกต์ใช้คุณสมบัติการนำความร้อนของ SiC สามารถพบได้ในวัสดุรองรับของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ วัสดุเซรามิกนำความร้อนสูง ฮีตเตอร์และแผ่นความร้อนสำหรับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ วัสดุแคปซูลสำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ และวงแหวนซีลแก๊สสำหรับปั๊มคอมเพรสเซอร์

การประยุกต์ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ในสาขาเซมิคอนดักเตอร์

แผ่นเจียรและอุปกรณ์จับยึดเป็นอุปกรณ์สำคัญในกระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ หากแผ่นเจียรทำจากเหล็กหล่อหรือเหล็กกล้าคาร์บอน อายุการใช้งานจะสั้นและมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง ในระหว่างกระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการเจียรหรือขัดเงาด้วยความเร็วสูง เนื่องจากความสึกหรอและการเสียรูปจากความร้อนของแผ่นเจียร ทำให้ยากที่จะรับประกันความเรียบและความขนานของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน แผ่นเจียรที่ทำจาก...เซรามิกส์ซิลิคอนคาร์ไบด์มีอัตราการสึกหรอต่ำเนื่องจากมีความแข็งสูง และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ดังนั้นจึงสามารถเจียรและขัดเงาได้ด้วยความเร็วสูง

นอกจากนี้ ในกระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน จำเป็นต้องผ่านกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนสูง และมักขนส่งโดยใช้ตัวยึดที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งทนความร้อนและไม่ก่อให้เกิดความเสียหาย สามารถเคลือบพื้นผิวด้วยคาร์บอนคล้ายเพชร (DLC) และสารเคลือบอื่นๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ลดความเสียหายของแผ่นเวเฟอร์ และป้องกันการแพร่กระจายของสิ่งปนเปื้อน

นอกจากนี้ ในฐานะที่เป็นตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แก็ปกว้างรุ่นที่สาม วัสดุผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติเด่น เช่น แบนด์แก็ปกว้างมาก (ประมาณ 3 เท่าของซิลิคอน) การนำความร้อนสูง (ประมาณ 3.3 เท่าของซิลิคอน หรือ 10 เท่าของแกลเลียมอาร์เซนิก) อัตราการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง (ประมาณ 2.5 เท่าของซิลิคอน) และสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวสูง (ประมาณ 10 เท่าของซิลิคอน หรือ 5 เท่าของแกลเลียมอาร์เซนิก) อุปกรณ์ SiC ช่วยชดเชยข้อบกพร่องของอุปกรณ์ที่ทำจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมในการใช้งานจริง และกำลังค่อยๆ กลายเป็นกระแสหลักของเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า

ความต้องการเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ความต้องการใช้งานเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก และค่าการนำความร้อนสูงเป็นตัวบ่งชี้สำคัญสำหรับการใช้งานในชิ้นส่วนอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้น การเร่งวิจัยเกี่ยวกับเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง การลดปริมาณออกซิเจนในโครงสร้างผลึก การเพิ่มความหนาแน่น และการควบคุมการกระจายตัวของเฟสที่สองในโครงสร้างผลึกอย่างเหมาะสม เป็นวิธีการหลักในการปรับปรุงค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

ปัจจุบัน ในประเทศของฉันยังมีการศึกษาเกี่ยวกับเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงค่อนข้างน้อย และยังคงมีความแตกต่างอย่างมากเมื่อเทียบกับระดับโลก ทิศทางการวิจัยในอนาคต ได้แก่:
●เสริมสร้างงานวิจัยกระบวนการเตรียมผงเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ การเตรียมผงซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีออกซิเจนต่ำเป็นพื้นฐานสำหรับการเตรียมเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง
● เสริมสร้างการคัดเลือกสารช่วยในการเผาผนึกและงานวิจัยเชิงทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง
●เสริมสร้างการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์เผาผนึกขั้นสูง การควบคุมกระบวนการเผาผนึกเพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคที่เหมาะสม เป็นเงื่อนไขที่จำเป็นในการผลิตเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง

มาตรการเพื่อปรับปรุงค่าการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

หัวใจสำคัญของการปรับปรุงค่าการนำความร้อนของเซรามิก SiC คือการลดความถี่การกระเจิงของโฟนอนและเพิ่มระยะทางเฉลี่ยอิสระของโฟนอน ค่าการนำความร้อนของ SiC จะดีขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพโดยการลดความพรุนและความหนาแน่นของขอบเกรนของเซรามิก SiC ปรับปรุงความบริสุทธิ์ของขอบเกรน SiC ลดสิ่งเจือปนหรือข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก SiC และเพิ่มตัวนำการถ่ายเทความร้อนใน SiC ในปัจจุบัน การปรับชนิดและปริมาณของสารช่วยในการเผาผนึกและการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงเป็นมาตรการหลักในการปรับปรุงค่าการนำความร้อนของเซรามิก SiC

① การปรับประเภทและปริมาณของสารช่วยในการเผาผนึกให้เหมาะสม

ในการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูง มักมีการเติมสารช่วยในการเผาผนึกหลายชนิด โดยชนิดและปริมาณของสารช่วยในการเผาผนึกนั้นมีอิทธิพลอย่างมากต่อค่าการนำความร้อนของเซรามิก SiC ตัวอย่างเช่น ธาตุ Al หรือ O ในสารช่วยในการเผาผนึกระบบ Al2O3 จะละลายเข้าไปในโครงสร้างผลึก SiC ได้ง่าย ทำให้เกิดช่องว่างและข้อบกพร่อง ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความถี่การกระเจิงของโฟนอน นอกจากนี้ หากปริมาณสารช่วยในการเผาผนึกต่ำ วัสดุจะเผาผนึกและมีความหนาแน่นได้ยาก ในขณะที่ปริมาณสารช่วยในการเผาผนึกสูงจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของสิ่งเจือปนและข้อบกพร่อง สารช่วยในการเผาผนึกในเฟสของเหลวที่มากเกินไปอาจยับยั้งการเจริญเติบโตของผลึก SiC และลดระยะทางเฉลี่ยอิสระของโฟนอนได้ ดังนั้น เพื่อให้ได้เซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูง จึงจำเป็นต้องลดปริมาณสารช่วยในการเผาผนึกให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะที่ยังคงรักษาระดับความหนาแน่นของการเผาผนึกไว้ และควรเลือกสารช่วยในการเผาผนึกที่ละลายในโครงสร้างผลึก SiC ได้ยาก

*คุณสมบัติทางความร้อนของเซรามิก SiC เมื่อเติมสารช่วยในการเผาผนึกที่แตกต่างกัน

ปัจจุบัน เซรามิก SiC ที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนและเผาผนึกโดยใช้ BeO เป็นสารช่วยในการเผาผนึก มีค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องสูงสุด (270 W·m⁻¹·K⁻¹) อย่างไรก็ตาม BeO เป็นวัสดุที่มีความเป็นพิษสูงและเป็นสารก่อมะเร็ง จึงไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการหรือในภาคอุตสาหกรรม จุดยูเทคติกต่ำสุดของระบบ Y₂O₃-Al₂O₃ คือ 1760℃ ซึ่งเป็นสารช่วยในการเผาผนึกในเฟสของเหลวที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเซรามิก SiC อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก Al³⁺ ละลายเข้าไปในโครงสร้างผลึก SiC ได้ง่าย เมื่อใช้ระบบนี้เป็นสารช่วยในการเผาผนึก ค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องของเซรามิก SiC จึงต่ำกว่า 200 W·m⁻¹·K⁻¹

ธาตุหายาก เช่น Y, Sm, Sc, Gd และ La ละลายในโครงสร้างผลึก SiC ได้ยาก และมีความสัมพันธ์กับออกซิเจนสูง ซึ่งสามารถลดปริมาณออกซิเจนในโครงสร้างผลึก SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ระบบ Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) จึงเป็นสารช่วยในการเผาผนึกที่ใช้กันทั่วไปในการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูง (>200W·m-1·K-1) ยกตัวอย่างเช่น ระบบ Y2O3-Sc2O3 ค่าความเบี่ยงเบนของไอออน Y3+ และ Si4+ มีค่ามาก และทั้งสองไม่เกิดการละลายในของแข็ง ความสามารถในการละลายของ Sc ใน SiC บริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ 1800~2600℃ มีค่าน้อย ประมาณ (2~3)×1017 อะตอม·cm-3

② การอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง

การอบชุบเซรามิก SiC ด้วยความร้อนสูงช่วยกำจัดข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก การเคลื่อนที่ของอะตอม และความเค้นตกค้าง ส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุอสัณฐานบางชนิดไปเป็นผลึก และลดผลกระทบจากการกระเจิงของโฟนอน นอกจากนี้ การอบชุบด้วยความร้อนสูงยังช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโตของผลึก SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และในที่สุดก็ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุ ตัวอย่างเช่น หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนสูงที่ 1950°C ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ความร้อนของเซรามิก SiC เพิ่มขึ้นจาก 83.03 mm²·s⁻¹ เป็น 89.50 mm²·s⁻¹ และค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องเพิ่มขึ้นจาก 180.94 W·m⁻¹·K⁻¹ เป็น 192.17 W·m⁻¹·K⁻¹ การอบชุบด้วยความร้อนสูงช่วยปรับปรุงความสามารถในการกำจัดออกซิเจนของสารช่วยในการเผาผนึกบนพื้นผิวและโครงสร้างผลึก SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้การเชื่อมต่อระหว่างผลึก SiC แน่นขึ้น หลังจากผ่านกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงแล้ว ค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องของเซรามิก SiC ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมาก