Momentan,Siliciumcarbid (SiC)Siliziumkarbid (SiC) ist ein wärmeleitendes Keramikmaterial, das im In- und Ausland intensiv erforscht wird. Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von SiC ist sehr hoch; einige Kristallformen erreichen Werte von bis zu 270 W/mK und zählen damit zu den führenden nichtleitenden Materialien. Beispiele für Anwendungen der Wärmeleitfähigkeit von SiC sind Substratmaterialien für Halbleiterbauelemente, hochwärmeleitfähige Keramiken, Heizelemente und Heizplatten für die Halbleiterfertigung, Kapselmaterialien für Kernbrennstoffe sowie Gasdichtungsringe für Kompressorpumpen.
Anwendung vonSiliciumcarbidim Halbleiterbereich
Schleifscheiben und -vorrichtungen sind wichtige Prozessanlagen für die Siliziumwafer-Produktion in der Halbleiterindustrie. Schleifscheiben aus Gusseisen oder Kohlenstoffstahl weisen eine kurze Lebensdauer und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Bei der Bearbeitung von Siliziumwafern, insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsschleifen oder Polieren, kann die Planheit und Parallelität der Wafer aufgrund des Verschleißes und der thermischen Verformung der Schleifscheibe nur schwer gewährleistet werden. Schleifscheiben aus …SiliziumkarbidkeramikAufgrund seiner hohen Härte weist es einen geringen Verschleiß auf, und sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist im Wesentlichen derselbe wie der von Siliziumwafern, sodass es mit hoher Geschwindigkeit geschliffen und poliert werden kann.
Darüber hinaus müssen Siliziumwafer bei ihrer Herstellung einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung unterzogen und werden häufig mithilfe von Siliziumkarbid-Halterungen transportiert. Sie sind hitzebeständig und zerstörungsfrei. Diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) und andere Beschichtungen können auf die Oberfläche aufgebracht werden, um die Leistung zu verbessern, Waferschäden zu minimieren und die Ausbreitung von Verunreinigungen zu verhindern.
Als Vertreter der Halbleitermaterialien der dritten Generation mit großer Bandlücke weisen Siliziumkarbid-Einkristalle Eigenschaften wie eine große Bandlückenbreite (etwa dreimal so groß wie die von Silizium), eine hohe Wärmeleitfähigkeit (etwa 3,3-mal so groß wie die von Silizium bzw. 10-mal so groß wie die von Galliumarsenid), eine hohe Elektronensättigungsmigrationsrate (etwa 2,5-mal so groß wie die von Silizium) und eine hohe Durchbruchfeldstärke (etwa 10-mal so groß wie die von Silizium bzw. 5-mal so groß wie die von Galliumarsenid) auf. SiC-Bauelemente gleichen die Nachteile herkömmlicher Halbleitermaterialien in praktischen Anwendungen aus und etablieren sich zunehmend als Standard für Leistungshalbleiter.
Die Nachfrage nach Siliziumkarbidkeramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit hat drastisch zugenommen.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie ist der Bedarf an Siliziumkarbidkeramik in der Halbleiterindustrie stark gestiegen. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist dabei ein entscheidendes Kriterium für ihren Einsatz in Komponenten von Halbleiterfertigungsanlagen. Daher ist es unerlässlich, die Forschung an Siliziumkarbidkeramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu intensivieren. Die Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Kristallgitter, die Erhöhung der Dichte und die gezielte Steuerung der Verteilung der zweiten Phase im Kristallgitter sind die wichtigsten Methoden zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbidkeramik.
Derzeit gibt es in meinem Land nur wenige Studien zu Siliziumkarbidkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit, und im Vergleich zum internationalen Standard besteht noch eine große Lücke. Zukünftige Forschungsrichtungen umfassen:
● Intensivierung der Forschung zum Herstellungsprozess von Siliciumcarbid-Keramikpulver. Die Herstellung von hochreinem, sauerstoffarmem Siliciumcarbidpulver ist die Grundlage für die Herstellung von Siliciumcarbidkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit;
● Die Auswahl von Sinterhilfsmitteln und die damit verbundene theoretische Forschung intensivieren;
● Die Forschung und Entwicklung von High-End-Sinteranlagen muss intensiviert werden. Die Steuerung des Sinterprozesses zur Erzielung einer optimalen Mikrostruktur ist eine notwendige Voraussetzung für die Herstellung von Siliciumcarbidkeramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Siliciumcarbidkeramik
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 lässt sich effektiv verbessern, indem die Porosität und die Korngrenzendichte von SiC-Keramiken verringert, die Reinheit der SiC-Korngrenzen erhöht, Gitterverunreinigungen oder Gitterdefekte in SiC reduziert und die Wärmetransportkapazität erhöht wird. Aktuell sind die Optimierung von Art und Menge der Sinterhilfsmittel sowie die Hochtemperatur-Wärmebehandlung die wichtigsten Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken.
① Optimierung von Art und Menge der Sinterhilfsmittel
Bei der Herstellung von SiC-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden häufig verschiedene Sinterhilfsmittel zugesetzt. Art und Menge dieser Sinterhilfsmittel haben einen großen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit der SiC-Keramiken. Beispielsweise lösen sich Aluminium- oder Sauerstoffelemente im Al₂O₃-System leicht im SiC-Gitter, was zu Leerstellen und Defekten führt und somit die Phononenstreufrequenz erhöht. Ist die Menge an Sinterhilfsmitteln gering, lässt sich das Material nur schwer sintern und verdichten, während eine hohe Menge an Sinterhilfsmitteln zu einer Zunahme von Verunreinigungen und Defekten führt. Überschüssige Sinterhilfsmittel in der flüssigen Phase können zudem das Wachstum der SiC-Körner hemmen und die mittlere freie Weglänge der Phononen verringern. Um SiC-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen, ist es daher notwendig, den Anteil an Sinterhilfsmitteln so weit wie möglich zu reduzieren und gleichzeitig die Anforderungen an die Sinterdichte zu erfüllen. Dabei sollten Sinterhilfsmittel gewählt werden, die sich im SiC-Gitter nur schwer lösen.
Thermische Eigenschaften von SiC-Keramiken bei Zugabe verschiedener Sinterhilfsmittel.
Aktuell weisen heißgepresste SiC-Keramiken, die mit BeO als Sinterhilfsmittel gesintert wurden, die höchste Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur (270 W·m⁻¹·K⁻¹) auf. BeO ist jedoch hochgiftig und krebserregend und daher für den breiten Einsatz in Laboren oder der Industrie ungeeignet. Der niedrigste eutektische Punkt des Y₂O₃-Al₂O₃-Systems liegt bei 1760 °C. Dieses System wird häufig als Flüssigphasen-Sinterhilfsmittel für SiC-Keramiken verwendet. Da sich Al³⁺ jedoch leicht im SiC-Gitter löst, liegt die Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken bei Raumtemperatur unter 200 W·m⁻¹·K⁻¹, wenn dieses System als Sinterhilfsmittel eingesetzt wird.
Seltene Erden wie Y, Sm, Sc, Gd und La sind im SiC-Gitter schwer löslich und weisen eine hohe Sauerstoffaffinität auf, wodurch der Sauerstoffgehalt des SiC-Gitters effektiv reduziert werden kann. Daher wird das System Y₂O₃-RE₂O₃ (RE = Sm, Sc, Gd, La) häufig als Sinterhilfsmittel zur Herstellung von SiC-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit (> 200 W·m⁻¹·K⁻¹) eingesetzt. Am Beispiel des Sinterhilfsmittelsystems Y₂O₃-Sc₂O₃ lässt sich zeigen, dass die Ionenabweichung von Y³⁺ und Si⁴⁺ groß ist und die beiden keine Mischkristallbildung eingehen. Die Löslichkeit von Sc in reinem SiC bei 1800–2600 °C ist gering und liegt bei etwa (2–3) × 10¹⁷ Atomen·cm⁻³.
② Hochtemperatur-Wärmebehandlung
Die Hochtemperatur-Wärmebehandlung von SiC-Keramiken trägt zur Beseitigung von Gitterdefekten, Versetzungen und Eigenspannungen bei, fördert die Strukturumwandlung amorpher Materialien in Kristalle und schwächt die Phononenstreuung. Darüber hinaus kann die Hochtemperatur-Wärmebehandlung das Wachstum der SiC-Körner effektiv fördern und letztendlich die thermischen Eigenschaften des Materials verbessern. Beispielsweise stieg nach einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung bei 1950 °C der Wärmeleitkoeffizient von SiC-Keramiken von 83,03 mm²·s⁻¹ auf 89,50 mm²·s⁻¹ und die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von 180,94 W·m⁻¹·K⁻¹ auf 192,17 W·m⁻¹·K⁻¹. Die Hochtemperatur-Wärmebehandlung verbessert effektiv die Desoxidationsfähigkeit des Sinterhilfsmittels auf der SiC-Oberfläche und im Kristallgitter und führt zu einer dichteren Verbindung zwischen den SiC-Körnern. Durch die Hochtemperatur-Wärmebehandlung konnte die Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken bei Raumtemperatur deutlich verbessert werden.
Veröffentlichungsdatum: 24. Oktober 2024