Hiện nay,silic cacbua (SiC)là vật liệu gốm dẫn nhiệt được nghiên cứu tích cực trong và ngoài nước. Độ dẫn nhiệt lý thuyết của SiC rất cao, một số dạng tinh thể có thể đạt tới 270W/mK, đây đã là vật liệu dẫn đầu trong số các vật liệu không dẫn điện. Ví dụ, ứng dụng của độ dẫn nhiệt SiC có thể thấy trong vật liệu nền của thiết bị bán dẫn, vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt cao, lò sưởi và tấm gia nhiệt để xử lý chất bán dẫn, vật liệu viên nang cho nhiên liệu hạt nhân và vòng đệm khí cho máy bơm nén.
Ứng dụng củacacbua silictrong lĩnh vực bán dẫn
Đĩa mài và đồ gá là thiết bị xử lý quan trọng để sản xuất wafer silicon trong ngành công nghiệp bán dẫn. Nếu đĩa mài được làm bằng gang hoặc thép cacbon, tuổi thọ sử dụng của nó ngắn và hệ số giãn nở nhiệt của nó lớn. Trong quá trình xử lý wafer silicon, đặc biệt là trong quá trình mài hoặc đánh bóng tốc độ cao, do sự mài mòn và biến dạng nhiệt của đĩa mài, độ phẳng và độ song song của wafer silicon khó có thể đảm bảo. Đĩa mài được làm bằnggốm sứ silicon carbidecó độ mài mòn thấp do độ cứng cao và hệ số giãn nở nhiệt về cơ bản giống như tấm silicon nên có thể mài và đánh bóng ở tốc độ cao.
Ngoài ra, khi sản xuất wafer silicon, chúng cần phải trải qua quá trình xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao và thường được vận chuyển bằng vật cố định silicon carbide. Chúng có khả năng chịu nhiệt và không phá hủy. Carbon giống kim cương (DLC) và các lớp phủ khác có thể được áp dụng trên bề mặt để tăng cường hiệu suất, giảm thiểu hư hỏng wafer và ngăn ngừa ô nhiễm lan rộng.
Hơn nữa, với tư cách là đại diện của vật liệu bán dẫn có khoảng cách dải rộng thế hệ thứ ba, vật liệu tinh thể đơn silicon carbide có các đặc tính như độ rộng khoảng cách dải lớn (khoảng 3 lần so với Si), độ dẫn nhiệt cao (khoảng 3,3 lần so với Si hoặc 10 lần so với GaAs), tốc độ di chuyển bão hòa electron cao (khoảng 2,5 lần so với Si) và trường điện đánh thủng cao (khoảng 10 lần so với Si hoặc 5 lần so với GaAs). Các thiết bị SiC bù đắp cho các khuyết điểm của các thiết bị vật liệu bán dẫn truyền thống trong các ứng dụng thực tế và đang dần trở thành xu hướng chính của chất bán dẫn điện.
Nhu cầu về gốm sứ silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao đã tăng mạnh
Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, nhu cầu ứng dụng gốm silicon carbide trong lĩnh vực bán dẫn đã tăng lên đáng kể và độ dẫn nhiệt cao là chỉ số quan trọng cho ứng dụng của nó trong các thành phần thiết bị sản xuất chất bán dẫn. Do đó, việc tăng cường nghiên cứu về gốm silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao là rất quan trọng. Giảm hàm lượng oxy trong mạng tinh thể, cải thiện mật độ và điều chỉnh hợp lý sự phân bố của pha thứ hai trong mạng tinh thể là những phương pháp chính để cải thiện độ dẫn nhiệt của gốm silicon carbide.
Hiện nay, ở nước ta, các nghiên cứu về gốm sứ silic cacbua có độ dẫn nhiệt cao còn ít, so với thế giới vẫn còn khoảng cách khá xa. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm:
●Tăng cường nghiên cứu quy trình chế tạo bột gốm silicon carbide. Việc chế tạo bột silicon carbide có độ tinh khiết cao, hàm lượng oxy thấp là cơ sở để chế tạo gốm silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao;
● Tăng cường lựa chọn chất trợ thiêu kết và nghiên cứu lý thuyết liên quan;
●Tăng cường nghiên cứu và phát triển thiết bị thiêu kết cao cấp. Bằng cách điều chỉnh quá trình thiêu kết để có được cấu trúc vi mô hợp lý, đây là điều kiện cần thiết để có được gốm silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao.
Các biện pháp cải thiện độ dẫn nhiệt của gốm silicon carbide
Chìa khóa để cải thiện độ dẫn nhiệt của gốm SiC là giảm tần số tán xạ phonon và tăng đường đi tự do trung bình của phonon. Độ dẫn nhiệt của SiC sẽ được cải thiện hiệu quả bằng cách giảm độ xốp và mật độ ranh giới hạt của gốm SiC, cải thiện độ tinh khiết của ranh giới hạt SiC, giảm tạp chất mạng tinh thể SiC hoặc khuyết tật mạng tinh thể và tăng chất mang truyền nhiệt trong SiC. Hiện nay, tối ưu hóa loại và hàm lượng chất trợ thiêu kết và xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao là các biện pháp chính để cải thiện độ dẫn nhiệt của gốm SiC.
① Tối ưu hóa loại và hàm lượng chất trợ thiêu kết
Nhiều chất trợ thiêu kết khác nhau thường được thêm vào khi chế tạo gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao. Trong số đó, loại và hàm lượng chất trợ thiêu kết có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn nhiệt của gốm SiC. Ví dụ, các nguyên tố Al hoặc O trong hệ thống chất trợ thiêu kết Al2O3 dễ dàng hòa tan vào mạng tinh thể SiC, tạo ra các chỗ trống và khuyết tật, dẫn đến tần số tán xạ phonon tăng lên. Ngoài ra, nếu hàm lượng chất trợ thiêu kết thấp, vật liệu khó thiêu kết và làm đặc, trong khi hàm lượng chất trợ thiêu kết cao sẽ dẫn đến tăng tạp chất và khuyết tật. Chất trợ thiêu kết pha lỏng quá mức cũng có thể ức chế sự phát triển của các hạt SiC và làm giảm đường đi tự do trung bình của phonon. Do đó, để chế tạo gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao, cần phải giảm hàm lượng chất trợ thiêu kết càng nhiều càng tốt trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu về mật độ thiêu kết và cố gắng chọn chất trợ thiêu kết khó hòa tan trong mạng tinh thể SiC.
*Tính chất nhiệt của gốm SiC khi thêm các chất trợ thiêu kết khác nhau
Hiện nay, gốm SiC ép nóng được thiêu kết với BeO làm chất trợ thiêu kết có độ dẫn nhiệt tối đa ở nhiệt độ phòng (270W·m-1·K-1). Tuy nhiên, BeO là vật liệu cực kỳ độc hại và gây ung thư, không phù hợp để ứng dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoặc lĩnh vực công nghiệp. Điểm eutectic thấp nhất của hệ Y2O3-Al2O3 là 1760℃, đây là chất trợ thiêu kết pha lỏng phổ biến cho gốm SiC. Tuy nhiên, vì Al3+ dễ hòa tan vào mạng tinh thể SiC, nên khi hệ thống này được sử dụng làm chất trợ thiêu kết, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của gốm SiC nhỏ hơn 200W·m-1·K-1.
Các nguyên tố đất hiếm như Y, Sm, Sc, Gd và La không dễ hòa tan trong mạng tinh thể SiC và có ái lực oxy cao, có thể làm giảm hiệu quả hàm lượng oxy trong mạng tinh thể SiC. Do đó, hệ thống Y2O3-RE2O3 (RE = Sm, Sc, Gd, La) là chất trợ thiêu kết phổ biến để chế tạo gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao (> 200W · m-1 · K-1). Lấy chất trợ thiêu kết hệ thống Y2O3-Sc2O3 làm ví dụ, giá trị độ lệch ion của Y3 + và Si4 + lớn và cả hai đều không trải qua dung dịch rắn. Độ hòa tan của Sc trong SiC tinh khiết ở 1800 ~ 2600 ℃ là nhỏ, khoảng (2 ~ 3) × 1017 nguyên tử · cm-3.
② Xử lý nhiệt độ cao
Xử lý nhiệt độ cao đối với gốm SiC có lợi cho việc loại bỏ các khuyết tật mạng tinh thể, sự sai lệch và ứng suất dư, thúc đẩy quá trình chuyển đổi cấu trúc của một số vật liệu vô định hình thành tinh thể và làm suy yếu hiệu ứng tán xạ phonon. Ngoài ra, xử lý nhiệt độ cao có thể thúc đẩy hiệu quả sự phát triển của các hạt SiC và cuối cùng cải thiện các tính chất nhiệt của vật liệu. Ví dụ, sau khi xử lý nhiệt độ cao ở 1950 ° C, hệ số khuếch tán nhiệt của gốm SiC tăng từ 83,03mm2·s-1 lên 89,50mm2·s-1 và độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng tăng từ 180,94W·m-1·K-1 lên 192,17W·m-1·K-1. Xử lý nhiệt độ cao cải thiện hiệu quả khả năng khử oxy của chất trợ thiêu kết trên bề mặt SiC và mạng tinh thể, đồng thời làm cho kết nối giữa các hạt SiC chặt chẽ hơn. Sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của gốm SiC đã được cải thiện đáng kể.
Thời gian đăng: 24-10-2024