Hiện nay,cacbua silic (SiC)SiC là một loại vật liệu gốm dẫn nhiệt đang được nghiên cứu tích cực trong và ngoài nước. Độ dẫn nhiệt lý thuyết của SiC rất cao, và một số dạng tinh thể có thể đạt tới 270 W/mK, đã là một trong những vật liệu không dẫn điện hàng đầu. Ví dụ, ứng dụng của độ dẫn nhiệt SiC có thể thấy trong vật liệu nền của các thiết bị bán dẫn, vật liệu gốm dẫn nhiệt cao, bộ gia nhiệt và tấm gia nhiệt cho quá trình sản xuất bán dẫn, vật liệu vỏ bọc nhiên liệu hạt nhân và vòng đệm khí cho bơm nén.
Ứng dụng củacacbua silictrong lĩnh vực bán dẫn
Đĩa mài và đồ gá là thiết bị quan trọng trong quá trình sản xuất tấm silicon trong ngành công nghiệp bán dẫn. Nếu đĩa mài được làm bằng gang hoặc thép carbon, tuổi thọ của nó sẽ ngắn và hệ số giãn nở nhiệt lớn. Trong quá trình gia công tấm 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 tấm silicon rất khó đảm bảo. Đĩa mài được làm từ...gốm cacbua silicNó có độ mài mòn thấp do độ cứng cao, và hệ số giãn nở nhiệt của nó về cơ bản giống với tấm silicon, vì vậy nó có thể được mài và đánh bóng ở tốc độ cao.
Ngoài ra, khi sản xuất tấm silicon, chúng cần trải qua quá trình xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao và thường được vận chuyển bằng các thiết bị làm từ silicon carbide. Chúng có khả năng chịu nhiệt và không bị phá hủy. Lớp phủ carbon giống kim cương (DLC) và các lớp phủ khác có thể được phủ lên bề mặt để nâng cao hiệu suất, giảm thiểu hư hại cho tấm wafer và ngăn ngừa sự lây lan của chất gây ô nhiễm.
Hơn nữa, với tư cách là đại diện cho vật liệu bán dẫn có dải năng lượng rộng thế hệ thứ ba, vật liệu tinh thể đơn silicon carbide (SiC) sở hữu các đặc tính như độ rộng dải năng lượng 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 điện trường đánh thủng cao (khoảng 10 lần so với Si hoặc 5 lần so với GaAs). Các thiết bị SiC khắc phục được những nhược điểm của các thiết bị sử dụng vật liệu bán dẫn truyền thống trong các ứng dụng thực tế và đang dần trở thành vật liệu bán dẫn công suất chủ đạo.
Nhu cầu về gốm sứ silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao đã tăng lên đáng kể.
Với sự phát triển không ngừng của khoa học và 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 một chỉ số quan trọng cho việc ứng dụng nó trong các linh kiện thiết bị sản xuất bán dẫn. Do đó, việc tăng cường nghiên cứu về gốm silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao là rất cần thiết. Giảm hàm lượng oxy trong mạng tinh thể, cải thiện mật độ và điều chỉnh hợp lý sự phân bố của pha thứ cấp trong mạng tinh thể là những phương pháp chính để nâng cao độ dẫn nhiệt của gốm silicon carbide.
Hiện nay, ở nước ta có rất ít nghiên cứu về gốm sứ silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao, và vẫn còn một khoảng cách lớn so với trình độ thế giới. 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 nền tảng cho việc chế tạo gốm silicon carbide có độ dẫn nhiệt cao;
● Tăng cường việc 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. Việc điều chỉnh quy trình thiêu kết để thu được cấu trúc vi mô hợp lý 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 quãng đường 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 hoặc khuyết tật mạng tinh thể SiC, và tăng khả năng truyền tải dòng nhiệt trong SiC. Hiện nay, tối ưu hóa loại và hàm lượng chất trợ thiêu kết và xử lý nhiệt độ cao là những biện pháp chính để cải thiện độ dẫn nhiệt của gốm SiC.
① Tối ưu hóa loại và hàm lượng chất trợ thiêu kết
Khi chế tạo gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao, người ta thường thêm nhiều loại chất trợ thiêu kết khác nhau. Trong 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 chất trợ thiêu kết hệ Al2O3 dễ dàng hòa tan vào mạng tinh thể SiC, dẫn đến tạo ra các lỗ trống và khuyết tật, làm tăng tần số tán xạ phonon. Ngoài ra, nếu hàm lượng chất trợ thiêu kết thấp, vật liệu khó thiêu kết và khó đạt mật độ cao, 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 quãng đường tự do trung bình của phonon. Do đó, để chế tạo gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao, cần giảm hàm lượng chất trợ thiêu kết càng nhiều càng tốt trong khi vẫn đáp ứng yêu cầu về mật độ thiêu kết, và cố gắng lựa chọn các 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 nung kết với BeO làm chất trợ nung có độ dẫn nhiệt tối đa ở nhiệt độ phòng (270 W·m⁻¹·K⁻¹). Tuy nhiên, BeO là một chất rất 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 một chất trợ nung pha lỏng phổ biến cho gốm SiC. Tuy nhiên, vì Al³⁺ dễ dàng hòa tan vào mạng tinh thể SiC, khi hệ này được sử dụng làm chất trợ nung, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của gốm SiC nhỏ hơn 200 W·m⁻¹·K⁻¹.
Các nguyên tố đất hiếm như Y, Sm, Sc, Gd và La không dễ tan trong mạng tinh thể SiC và có ái lực cao với oxy, có thể làm giảm hiệu quả hàm lượng oxy trong mạng tinh thể SiC. Do đó, hệ 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 Y2O3-Sc2O3 làm ví dụ, giá trị độ lệch ion của Y3+ và Si4+ lớn, và hai ion này không tạo thành dung dịch rắn. Độ hòa tan của Sc trong SiC nguyên chất 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, sai lệch và ứng suất dư, thúc đẩy sự 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 83,03 mm²·s⁻¹ lên 89,50 mm²·s⁻¹, và độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng tăng từ 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ lên 192,17 W·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 và mạng tinh thể SiC, và làm cho sự liên kết giữa các hạt SiC chặt chẽ hơn. Sau khi xử lý nhiệt độ cao, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của gốm SiC đã được cải thiện đáng kể.
Thời gian đăng bài: 24 tháng 10 năm 2024