Momentan,Siliziumkarbid (SiC)ist ein wärmeleitendes Keramikmaterial, das im In- und Ausland aktiv untersucht wird. Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von SiC ist sehr hoch und einige Kristallformen können 270 W/mK erreichen, was unter den nichtleitenden Materialien bereits führend ist. Die Anwendung der Wärmeleitfähigkeit von SiC findet sich beispielsweise in den Substratmaterialien von Halbleiterbauelementen, in Keramikmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, in Heizgeräten und Heizplatten für die Halbleiterverarbeitung, in Kapselmaterialien für Kernbrennstoffe und in Gasdichtringen für Kompressorpumpen.
Anwendung vonSiliziumkarbidim Halbleiterbereich
Schleifscheiben und Vorrichtungen sind wichtige Prozessgeräte für die Siliziumwaferproduktion in der Halbleiterindustrie. Wenn die Schleifscheibe aus Gusseisen oder Kohlenstoffstahl besteht, ist ihre Lebensdauer kurz und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient groß. Bei der Bearbeitung von Siliziumwafern, insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsschleifen oder -polieren, ist es aufgrund des Verschleißes und der thermischen Verformung der Schleifscheibe schwierig, die Ebenheit und Parallelität des Siliziumwafers zu gewährleisten. Die Schleifscheibe besteht ausSiliziumkarbidkeramikweist aufgrund seiner hohen Härte einen geringen Verschleiß auf und sein thermischer Ausdehnungskoeffizient entspricht im Wesentlichen dem von Siliziumwafern, so dass er mit hoher Geschwindigkeit geschliffen und poliert werden kann.
Darüber hinaus müssen Siliziumwafer bei der Herstellung einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung unterzogen werden und werden häufig mithilfe von Vorrichtungen aus Siliziumkarbid transportiert. Sie sind hitzebeständig und zerstörungsfrei. Diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) und andere Beschichtungen können auf die Oberfläche aufgetragen werden, um die Leistung zu verbessern, Waferschäden zu lindern und die Ausbreitung von Verunreinigungen zu verhindern.
Darüber hinaus weisen Siliziumkarbid-Einkristallmaterialien als Vertreter der Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke der dritten Generation Eigenschaften wie eine große Bandlückenbreite (etwa das Dreifache von Si) und eine hohe Wärmeleitfähigkeit (etwa das 3,3-fache von Si oder das Zehnfache von Si) auf die von GaAs), eine hohe Elektronensättigungsmigrationsrate (etwa das 2,5-fache der von Si) und ein hohes elektrisches Durchbruchfeld (etwa das 10-fache des von Si oder das 5-fache des von GaAs). SiC-Geräte gleichen die Mängel herkömmlicher Halbleitermaterialgeräte in praktischen Anwendungen aus und werden nach und nach zum Mainstream der Leistungshalbleiter.
Die Nachfrage nach Siliziumkarbidkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist dramatisch gestiegen
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die Nachfrage nach der Anwendung von Siliziumkarbidkeramik im Halbleiterbereich dramatisch gestiegen, und eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist ein Schlüsselindikator für ihre Anwendung in Komponenten von Halbleiterfertigungsanlagen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Forschung zu Siliziumkarbidkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu stärken. Die Reduzierung des Gittersauerstoffgehalts, die Verbesserung der Dichte und eine sinnvolle Regulierung der Verteilung der zweiten Phase im Gitter sind die Hauptmethoden zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbidkeramiken.
Derzeit gibt es in meinem Land nur wenige Studien zu Siliziumkarbidkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit, und es besteht immer noch eine große Lücke im Vergleich zum Weltniveau. Zukünftige Forschungsrichtungen umfassen:
●Stärkung der Vorbereitungsprozessforschung für Siliziumkarbid-Keramikpulver. Die Herstellung von hochreinem Siliziumkarbidpulver mit niedrigem Sauerstoffgehalt ist die Grundlage für die Herstellung von Siliziumkarbidkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
● Stärkung der Auswahl von Sinterhilfsmitteln und der damit verbundenen theoretischen Forschung;
●Stärkung der Forschung und Entwicklung von High-End-Sintergeräten. Durch die Regulierung des Sinterprozesses zur Erzielung einer angemessenen Mikrostruktur ist dies eine notwendige Voraussetzung für die Herstellung von Siliziumkarbidkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbidkeramiken
Der Schlüssel zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken liegt in der Reduzierung der Phononenstreufrequenz und der Erhöhung der mittleren freien Weglänge der Phononen. Die Wärmeleitfähigkeit von SiC wird effektiv verbessert, indem die Porosität und Korngrenzendichte von SiC-Keramik verringert, die Reinheit der SiC-Korngrenzen verbessert, SiC-Gitterverunreinigungen oder Gitterdefekte reduziert und der Wärmeflussübertragungsträger in SiC erhöht werden. Derzeit sind die Optimierung von Art und Gehalt der Sinterhilfsmittel sowie die Hochtemperaturwärmebehandlung die wichtigsten Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken.
① Optimierung der Art und des Gehalts an Sinterhilfsmitteln
Bei der Herstellung von SiC-Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden häufig verschiedene Sinterhilfsmittel zugesetzt. Unter anderem haben Art und Gehalt der Sinterhilfsmittel einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken. Beispielsweise lösen sich Al- oder O-Elemente in den Sinterhilfsmitteln des Al2O3-Systems leicht im SiC-Gitter, was zu Leerstellen und Defekten führt, was zu einer Erhöhung der Phononenstreufrequenz führt. Darüber hinaus lässt sich das Material bei einem geringen Gehalt an Sinterhilfsmitteln nur schwer sintern und verdichten, während ein hoher Gehalt an Sinterhilfsmitteln zu einer Zunahme von Verunreinigungen und Defekten führt. Zu viele Sinterhilfsmittel in der flüssigen Phase können auch das Wachstum von SiC-Körnern hemmen und die mittlere freie Weglänge von Phononen verringern. Daher ist es zur Herstellung von SiC-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich, den Gehalt an Sinterhilfsmitteln so weit wie möglich zu reduzieren und gleichzeitig die Anforderungen an die Sinterdichte zu erfüllen, und zu versuchen, Sinterhilfsmittel auszuwählen, die sich im SiC-Gitter nur schwer lösen lassen.
*Thermische Eigenschaften von SiC-Keramik bei Zugabe verschiedener Sinterhilfsmittel
Derzeit haben heißgepresste SiC-Keramiken, die mit BeO als Sinterhilfsmittel gesintert wurden, die maximale Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur (270 W·m-1·K-1). BeO ist jedoch ein hochgiftiges und krebserregendes Material und eignet sich nicht für eine breite Anwendung in Labors oder industriellen Bereichen. Der niedrigste eutektische Punkt des Y2O3-Al2O3-Systems liegt bei 1760℃, was ein übliches Flüssigphasen-Sinterhilfsmittel für SiC-Keramik ist. Da sich Al3+ jedoch leicht im SiC-Gitter löst, beträgt die Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramik bei Raumtemperatur weniger als 200 W·m-1·K-1, wenn dieses System als Sinterhilfsmittel verwendet wird.
Seltenerdelemente wie Y, Sm, Sc, Gd und La sind im SiC-Gitter nicht leicht löslich und weisen eine hohe Sauerstoffaffinität auf, wodurch der Sauerstoffgehalt des SiC-Gitters wirksam reduziert werden kann. Daher ist das System Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) ein übliches Sinterhilfsmittel zur Herstellung von SiC-Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit (>200 W·m-1·K-1). Am Beispiel des Sinterhilfsmittels Y2O3-Sc2O3 ist der Ionenabweichungswert von Y3+ und Si4+ groß und die beiden gehen keine feste Lösung ein. Die Löslichkeit von Sc in reinem SiC bei 1800–2600℃ ist gering und beträgt etwa (2–3)×1017 Atome·cm-3.
② Hochtemperatur-Wärmebehandlung
Die Hochtemperatur-Wärmebehandlung von SiC-Keramiken trägt dazu bei, Gitterdefekte, Versetzungen und Eigenspannungen zu beseitigen, die strukturelle Umwandlung einiger amorpher Materialien in Kristalle zu fördern und den Phononenstreueffekt abzuschwächen. Darüber hinaus kann eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung das Wachstum von SiC-Körnern effektiv fördern und letztendlich die thermischen Eigenschaften des Materials verbessern. Beispielsweise stieg nach einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung bei 1950 °C der Wärmediffusionskoeffizient von SiC-Keramik von 83,03 mm2·s-1 auf 89,50 mm2·s-1 und die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur stieg von 180,94 W·m -1·K-1 bis 192,17W·m-1·K-1. Eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung verbessert effektiv die Desoxidationsfähigkeit des Sinterhilfsmittels auf der SiC-Oberfläche und dem SiC-Gitter und macht die Verbindung zwischen den SiC-Körnern fester. Nach der Hochtemperatur-Wärmebehandlung wurde die Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramik bei Raumtemperatur deutlich verbessert.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. Okt. 2024