অর্ধপরিবাহী ক্ষেত্রে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা SiC সিরামিকের চাহিদা এবং প্রয়োগ

বর্তমানে,সিলিকন কার্বাইড (SiC)একটি তাপীয় পরিবাহী সিরামিক উপাদান যা দেশে এবং বিদেশে সক্রিয়ভাবে অধ্যয়ন করা হয়। SiC-এর তাত্ত্বিক তাপ পরিবাহিতা খুব বেশি, এবং কিছু স্ফটিক ফর্ম 270W/mK পৌঁছতে পারে, যা ইতিমধ্যেই অ-পরিবাহী পদার্থের মধ্যে একটি নেতা। উদাহরণস্বরূপ, SiC তাপ পরিবাহিতার প্রয়োগ সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের সাবস্ট্রেট উপকরণ, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিরামিক উপকরণ, হিটার এবং সেমিকন্ডাক্টর প্রক্রিয়াকরণের জন্য হিটিং প্লেট, পারমাণবিক জ্বালানীর জন্য ক্যাপসুল উপকরণ এবং কম্প্রেসার পাম্পের জন্য গ্যাস সিলিং রিংগুলিতে দেখা যায়।

এর আবেদনসিলিকন কার্বাইডঅর্ধপরিবাহী ক্ষেত্রে
সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে সিলিকন ওয়েফার উত্পাদনের জন্য গ্রাইন্ডিং ডিস্ক এবং ফিক্সচারগুলি গুরুত্বপূর্ণ প্রক্রিয়া সরঞ্জাম। যদি গ্রাইন্ডিং ডিস্কটি ঢালাই লোহা বা কার্বন ইস্পাত দিয়ে তৈরি হয় তবে এর পরিষেবা জীবন ছোট এবং এর তাপীয় প্রসারণ সহগ বড়। সিলিকন ওয়েফারের প্রক্রিয়াকরণের সময়, বিশেষত উচ্চ-গতির নাকাল বা পলিশিংয়ের সময়, গ্রাইন্ডিং ডিস্কের পরিধান এবং তাপীয় বিকৃতির কারণে, সিলিকন ওয়েফারের সমতলতা এবং সমান্তরালতার গ্যারান্টি দেওয়া কঠিন। নাকাল ডিস্ক তৈরিসিলিকন কার্বাইড সিরামিকএর উচ্চ কঠোরতার কারণে এর পরিধান কম, এবং এর তাপ সম্প্রসারণ সহগ মূলত সিলিকন ওয়েফারের মতোই, তাই এটি উচ্চ গতিতে গ্রাউন্ড এবং পালিশ করা যেতে পারে।

এছাড়াও, যখন সিলিকন ওয়েফারগুলি উত্পাদিত হয়, তখন তাদের উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সার মধ্য দিয়ে যেতে হয় এবং প্রায়শই সিলিকন কার্বাইড ফিক্সচার ব্যবহার করে পরিবহন করা হয়। এগুলি তাপ-প্রতিরোধী এবং অ-ধ্বংসাত্মক। হীরার মতো কার্বন (DLC) এবং অন্যান্য আবরণগুলি কার্যক্ষমতা বাড়াতে, ওয়েফারের ক্ষতি কমাতে এবং দূষণকে ছড়িয়ে পড়া রোধ করতে পৃষ্ঠে প্রয়োগ করা যেতে পারে।

তদ্ব্যতীত, তৃতীয় প্রজন্মের ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের প্রতিনিধি হিসাবে, সিলিকন কার্বাইড একক ক্রিস্টাল উপাদানগুলির বৈশিষ্ট্য রয়েছে যেমন বড় ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ (Si এর প্রায় 3 গুণ), উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (Si এর প্রায় 3.3 গুণ বা 10 গুণ) GaAs এর, উচ্চ ইলেক্ট্রন স্যাচুরেশন মাইগ্রেশন রেট (Si এর প্রায় 2.5 গুণ) এবং উচ্চ ব্রেকডাউন ইলেকট্রিক ক্ষেত্র (Si এর প্রায় 10 গুণ বা GaAs এর 5 গুণ)। SiC ডিভাইসগুলি ব্যবহারিক অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ঐতিহ্যগত সেমিকন্ডাক্টর উপাদান ডিভাইসগুলির ত্রুটিগুলির জন্য তৈরি করে এবং ধীরে ধীরে পাওয়ার সেমিকন্ডাক্টরগুলির মূলধারায় পরিণত হচ্ছে।

উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের চাহিদা নাটকীয়ভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে
বিজ্ঞান এবং প্রযুক্তির ক্রমাগত বিকাশের সাথে, সেমিকন্ডাক্টর ক্ষেত্রে সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের প্রয়োগের চাহিদা নাটকীয়ভাবে বৃদ্ধি পেয়েছে এবং উচ্চ তাপ পরিবাহিতা অর্ধপরিবাহী উত্পাদন সরঞ্জাম উপাদানগুলিতে এর প্রয়োগের জন্য একটি মূল সূচক। অতএব, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের উপর গবেষণা জোরদার করা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার প্রধান পদ্ধতি হল জালির অক্সিজেনের পরিমাণ হ্রাস করা, ঘনত্বের উন্নতি করা এবং জালিতে দ্বিতীয় পর্যায়ের বিতরণকে যুক্তিসঙ্গতভাবে নিয়ন্ত্রণ করা।

বর্তমানে, আমার দেশে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের উপর কিছু গবেষণা রয়েছে এবং বিশ্বস্তরের তুলনায় এখনও একটি বড় ব্যবধান রয়েছে। ভবিষ্যতের গবেষণা নির্দেশাবলী অন্তর্ভুক্ত:
●সিলিকন কার্বাইড সিরামিক পাউডার প্রস্তুতি প্রক্রিয়া গবেষণা জোরদার. উচ্চ-বিশুদ্ধতা, কম-অক্সিজেন সিলিকন কার্বাইড পাউডারের প্রস্তুতি উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিক তৈরির ভিত্তি;
● সিন্টারিং এইডস নির্বাচন এবং সংশ্লিষ্ট তাত্ত্বিক গবেষণা জোরদার করা;
● উচ্চ-শেষ sintering সরঞ্জাম গবেষণা এবং উন্নয়ন জোরদার. একটি যুক্তিসঙ্গত মাইক্রোস্ট্রাকচার প্রাপ্ত করার জন্য সিন্টারিং প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণ করে, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সিলিকন কার্বাইড সিরামিক প্রাপ্ত করার জন্য এটি একটি প্রয়োজনীয় শর্ত।
সিলিকন কার্বাইড সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার ব্যবস্থা
SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার চাবিকাঠি হল ফোনন বিক্ষিপ্ত ফ্রিকোয়েন্সি হ্রাস করা এবং ফোনন মানে মুক্ত পথ বৃদ্ধি করা। SiC এর তাপ পরিবাহিতা কার্যকরভাবে SiC সিরামিকের ছিদ্রতা এবং শস্য সীমার ঘনত্ব হ্রাস করে, SiC শস্যের সীমানার বিশুদ্ধতা উন্নত করে, SiC জালির অমেধ্য বা জালির ত্রুটিগুলি হ্রাস করে এবং SiC-তে তাপ প্রবাহ ট্রান্সমিশন বাহক বৃদ্ধি করে উন্নত করা হবে। বর্তমানে, সিন্টারিং এইডস এবং উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সার প্রকার এবং বিষয়বস্তু অপ্টিমাইজ করা হল SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা উন্নত করার প্রধান ব্যবস্থা।

① সিন্টারিং এইডের ধরন এবং বিষয়বস্তু অপ্টিমাইজ করা

উচ্চ তাপ পরিবাহিতা SiC সিরামিক প্রস্তুত করার সময় বিভিন্ন sintering এইড প্রায়ই যোগ করা হয়। তাদের মধ্যে, সিন্টারিং এইডগুলির ধরন এবং বিষয়বস্তু SiC সিরামিকের তাপ পরিবাহিতার উপর একটি দুর্দান্ত প্রভাব ফেলে। উদাহরণস্বরূপ, Al2O3 সিস্টেমের সিন্টারিং এইডের Al বা O উপাদানগুলি সহজে SiC জালিতে দ্রবীভূত হয়, যার ফলে শূন্যস্থান এবং ত্রুটি দেখা দেয়, যা ফোনন বিচ্ছুরণের ফ্রিকোয়েন্সি বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করে। উপরন্তু, যদি সিন্টারিং এইডগুলির বিষয়বস্তু কম হয়, তবে উপাদানটি সিন্টার করা এবং ঘনীভূত করা কঠিন, যখন সিন্টারিং এইডগুলির একটি উচ্চ বিষয়বস্তু অমেধ্য এবং ত্রুটিগুলি বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করবে। অত্যধিক তরল ফেজ সিন্টারিং এইডগুলিও SiC দানার বৃদ্ধিকে বাধা দিতে পারে এবং ফোননগুলির গড় মুক্ত পথকে হ্রাস করতে পারে। অতএব, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা SiC সিরামিক প্রস্তুত করার জন্য, সিন্টারিং ঘনত্বের প্রয়োজনীয়তাগুলি পূরণ করার সময় যতটা সম্ভব সিন্টারিং এইডগুলির বিষয়বস্তু হ্রাস করা প্রয়োজন এবং সিন্টারিং এইডগুলি বেছে নেওয়ার চেষ্টা করুন যা SiC জালিতে দ্রবীভূত করা কঠিন।

*SIC সিরামিকের তাপীয় বৈশিষ্ট্য যখন বিভিন্ন সিন্টারিং এইড যোগ করা হয়

বর্তমানে, সিন্টারিং সাহায্য হিসাবে BeO দিয়ে সিন্টার করা গরম-চাপানো SiC সিরামিকগুলির সর্বাধিক কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা (270W·m-1·K-1) থাকে। যাইহোক, BeO একটি অত্যন্ত বিষাক্ত উপাদান এবং কার্সিনোজেনিক, এবং ল্যাবরেটরি বা শিল্প ক্ষেত্রে ব্যাপক প্রয়োগের জন্য উপযুক্ত নয়। Y2O3-Al2O3 সিস্টেমের সর্বনিম্ন ইউটেটিক পয়েন্ট হল 1760℃, যা SiC সিরামিকের জন্য একটি সাধারণ তরল-ফেজ সিন্টারিং সহায়তা। যাইহোক, যেহেতু Al3+ সহজে SiC জালিতে দ্রবীভূত হয়, যখন এই সিস্টেমটিকে সিন্টারিং সাহায্য হিসাবে ব্যবহার করা হয়, তখন SiC সিরামিকের কক্ষ-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা 200W·m-1·K-1 এর চেয়ে কম।

বিরল পৃথিবীর উপাদান যেমন Y, Sm, Sc, Gd এবং La SiC জালিতে সহজে দ্রবণীয় নয় এবং উচ্চ অক্সিজেন সম্বন্ধযুক্ত, যা কার্যকরভাবে SiC জালির অক্সিজেন সামগ্রী কমাতে পারে। অতএব, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) সিস্টেম হল উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (>200W·m-1·K-1) SiC সিরামিক প্রস্তুত করার জন্য একটি সাধারণ সিন্টারিং সাহায্য। উদাহরণ হিসেবে Y2O3-Sc2O3 সিস্টেম সিন্টারিং সাহায্য নিলে, Y3+ এবং Si4+ এর আয়ন বিচ্যুতি মান বড়, এবং দুটি কঠিন সমাধানের মধ্য দিয়ে যায় না। বিশুদ্ধ SiC-তে Sc-এর দ্রবণীয়তা 1800~2600℃ ছোট, প্রায় (2~3)×1017Atoms·cm-3।

② উচ্চ তাপমাত্রা তাপ চিকিত্সা

SiC সিরামিকের উচ্চ তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সা জালির ত্রুটি, স্থানচ্যুতি এবং অবশিষ্ট স্ট্রেস দূর করতে, কিছু নিরাকার পদার্থের কাঠামোগত রূপান্তরকে স্ফটিকগুলিতে উন্নীত করতে এবং ফোনন বিক্ষিপ্ত প্রভাবকে দুর্বল করার জন্য সহায়ক। উপরন্তু, উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সা কার্যকরভাবে SiC শস্যের বৃদ্ধিকে উন্নীত করতে পারে এবং শেষ পর্যন্ত উপাদানটির তাপীয় বৈশিষ্ট্যগুলিকে উন্নত করতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, 1950 ডিগ্রি সেলসিয়াসে উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সার পরে, SiC সিরামিকের তাপ প্রসারণ সহগ 83.03mm2·s-1 থেকে 89.50mm2·s-1 পর্যন্ত বৃদ্ধি পেয়েছে এবং রুম-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা 180.94W·m থেকে বৃদ্ধি পেয়েছে। -1·K-1 থেকে 192.17W·m-1·K-1। উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সা কার্যকরভাবে SiC পৃষ্ঠ এবং জালিতে সিন্টারিং সহায়তার ডিঅক্সিডেশন ক্ষমতাকে উন্নত করে এবং SiC শস্যের মধ্যে সংযোগকে আরও শক্ত করে তোলে। উচ্চ-তাপমাত্রার তাপ চিকিত্সার পরে, SiC সিরামিকের ঘর-তাপমাত্রার তাপ পরিবাহিতা উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে।