تقاضا و کاربرد سرامیک های SiC با هدایت حرارتی بالا در زمینه نیمه هادی

در حال حاضر،کاربید سیلیکون (SiC)یک ماده سرامیکی رسانای حرارتی است که به طور فعال در داخل و خارج از کشور مورد مطالعه قرار می گیرد. رسانایی تئوری حرارتی SiC بسیار بالا است و برخی از اشکال کریستالی می توانند به 270W/mK برسند که در حال حاضر در بین مواد غیر رسانا پیشرو است. به عنوان مثال، کاربرد رسانایی حرارتی SiC را می توان در مواد زیرلایه دستگاه های نیمه هادی، مواد سرامیکی با هدایت حرارتی بالا، بخاری ها و صفحات گرمایشی برای پردازش نیمه هادی، مواد کپسولی برای سوخت هسته ای و حلقه های آب بندی گاز برای پمپ های کمپرسور مشاهده کرد.

کاربردکاربید سیلیکوندر زمینه نیمه هادی
دیسک های سنگ زنی و فیکسچرها تجهیزات فرآیندی مهمی برای تولید ویفر سیلیکونی در صنعت نیمه هادی هستند. اگر دیسک سنگ زنی از چدن یا فولاد کربنی باشد، عمر مفید آن کوتاه و ضریب انبساط حرارتی آن زیاد است. در طول پردازش ویفرهای سیلیکونی، به ویژه در هنگام آسیاب یا پرداخت با سرعت بالا، به دلیل سایش و تغییر شکل حرارتی دیسک آسیاب، صافی و موازی بودن ویفر سیلیکونی به سختی قابل تضمین است. دیسک سنگ زنی ساخته شده ازسرامیک کاربید سیلیکونبه دلیل سختی زیاد، سایش کمی دارد و ضریب انبساط حرارتی آن اساساً مانند ویفرهای سیلیکونی است، بنابراین می توان آن را با سرعت بالا آسیاب و صیقل داد.

علاوه بر این، هنگامی که ویفرهای سیلیکونی تولید می شوند، باید تحت عملیات حرارتی با دمای بالا قرار گیرند و اغلب با استفاده از فیکسچرهای کاربید سیلیکون حمل می شوند. مقاوم در برابر حرارت و غیر مخرب هستند. کربن الماس مانند (DLC) و سایر پوشش ها را می توان بر روی سطح اعمال کرد تا عملکرد را بهبود بخشد، آسیب ویفر را کاهش دهد و از انتشار آلودگی جلوگیری کند.

علاوه بر این، به عنوان نماینده نسل سوم مواد نیمه هادی با شکاف گسترده، مواد تک کریستالی کاربید سیلیکون دارای خواصی مانند عرض باند بزرگ (حدود 3 برابر Si)، رسانایی حرارتی بالا (حدود 3.3 برابر Si یا 10 برابر Si) هستند. از GaAs)، نرخ مهاجرت اشباع الکترون بالا (حدود 2.5 برابر Si) و میدان الکتریکی شکست بالا (حدود 10 برابر Si یا 5 برابر GaAs). دستگاه های SiC عیوب دستگاه های نیمه هادی سنتی را در کاربردهای عملی جبران می کنند و به تدریج به جریان اصلی نیمه هادی های قدرت تبدیل می شوند.

تقاضا برای سرامیک های کاربید سیلیکون با هدایت حرارتی بالا به طور چشمگیری افزایش یافته است
با پیشرفت مداوم علم و فناوری، تقاضا برای استفاده از سرامیک های کاربید سیلیکون در زمینه نیمه هادی به طور چشمگیری افزایش یافته است و هدایت حرارتی بالا یک شاخص کلیدی برای کاربرد آن در اجزای تجهیزات تولید نیمه هادی است. بنابراین، تقویت تحقیقات روی سرامیک های کاربید سیلیکون با هدایت حرارتی بالا بسیار مهم است. کاهش محتوای اکسیژن شبکه، بهبود چگالی و تنظیم منطقی توزیع فاز دوم در شبکه، روش‌های اصلی بهبود هدایت حرارتی سرامیک‌های کاربید سیلیکون هستند.

در حال حاضر، مطالعات کمی در مورد سرامیک های کاربید سیلیکون با رسانایی حرارتی بالا در کشور من وجود دارد و هنوز فاصله زیادی در مقایسه با سطح جهانی وجود دارد. مسیرهای تحقیقاتی آتی عبارتند از:
●تقویت تحقیقات فرآیند آماده سازی پودر سرامیک کاربید سیلیکون. تهیه پودر کاربید سیلیکون با خلوص بالا و اکسیژن کم پایه ای برای تهیه سرامیک های کاربید سیلیکون با هدایت حرارتی بالا است.
● تقویت انتخاب مواد کمکی تف جوشی و تحقیقات نظری مرتبط.
●تقویت تحقیق و توسعه تجهیزات زینترینگ پیشرفته. با تنظیم فرآیند تف جوشی برای به دست آوردن یک ریزساختار معقول، یک شرط ضروری برای به دست آوردن سرامیک های کاربید سیلیکون با هدایت حرارتی بالا است.
اقداماتی برای بهبود هدایت حرارتی سرامیک های کاربید سیلیکون
کلید بهبود هدایت حرارتی سرامیک های SiC کاهش فرکانس پراکندگی فونون و افزایش میانگین مسیر آزاد فونون است. هدایت حرارتی SiC با کاهش تخلخل و چگالی مرزی سرامیک های SiC، بهبود خلوص مرزهای دانه SiC، کاهش ناخالصی های شبکه SiC یا عیوب شبکه، و افزایش حامل انتقال حرارت در SiC، به طور موثر بهبود می یابد. در حال حاضر، بهینه سازی نوع و محتوای مواد کمکی تف جوشی و عملیات حرارتی در دمای بالا از اقدامات اصلی برای بهبود هدایت حرارتی سرامیک های SiC است.

① بهینه سازی نوع و محتوای مواد کمکی تف جوشی

هنگام تهیه سرامیک های SiC با رسانایی حرارتی بالا، اغلب مواد کمکی تف جوشی اضافه می شوند. در این میان، نوع و محتوای مواد کمکی تف جوشی تأثیر زیادی بر هدایت حرارتی سرامیک‌های SiC دارد. به عنوان مثال، عناصر Al یا O در کمک های تف جوشی سیستم Al2O3 به راحتی در شبکه SiC حل می شوند و در نتیجه جای خالی و نقصی ایجاد می شود که منجر به افزایش فرکانس پراکندگی فونون می شود. علاوه بر این، اگر محتوای مواد کمکی تف جوشی کم باشد، مواد به سختی زینتر و متراکم می شوند، در حالی که محتوای زیاد مواد کمکی پخت منجر به افزایش ناخالصی ها و عیوب می شود. کمک های تف جوشی بیش از حد فاز مایع نیز ممکن است از رشد دانه های SiC جلوگیری کرده و میانگین مسیر آزاد فونون ها را کاهش دهد. بنابراین برای تهیه سرامیک های SiC با رسانایی حرارتی بالا، لازم است تا حد امکان از مواد کمکی تف جوشی با رعایت الزامات چگالی زینترینگ کاسته شود و سعی شود مواد کمکی تف جوشی را انتخاب کرد که به سختی در شبکه SiC حل می شوند.

*خواص حرارتی سرامیک های SiC هنگامی که مواد کمکی تف جوشی مختلف اضافه می شوند

در حال حاضر، سرامیک‌های SiC فشرده داغ که با BeO به‌عنوان کمک تف جوشی زینتر شده‌اند، حداکثر هدایت حرارتی در دمای اتاق (270W·m-1·K-1) را دارند. با این حال، BeO یک ماده بسیار سمی و سرطان زا است و برای کاربرد گسترده در آزمایشگاه ها یا زمینه های صنعتی مناسب نیست. پایین ترین نقطه یوتکتیک سیستم Y2O3-Al2O3 1760 درجه سانتیگراد است که یک کمک تف جوشی معمولی فاز مایع برای سرامیک های SiC است. با این حال، از آنجایی که Al3+ به راحتی در شبکه SiC حل می شود، هنگامی که این سیستم به عنوان کمک تف جوشی استفاده می شود، هدایت حرارتی سرامیک های SiC در دمای اتاق کمتر از 200W·m-1·K-1 است.

عناصر خاکی کمیاب مانند Y، Sm، Sc، Gd و La به راحتی در شبکه SiC قابل حل نیستند و میل اکسیژن بالایی دارند که می تواند به طور موثری محتوای اکسیژن شبکه SiC را کاهش دهد. بنابراین، سیستم Y2O3-RE2O3 (RE=Sm، Sc، Gd، La) یک کمک پخت متداول برای تهیه سرامیک های SiC با هدایت حرارتی بالا (>200W·m-1·K-1) است. با در نظر گرفتن کمک تف جوشی سیستم Y2O3-Sc2O3 به عنوان مثال، مقدار انحراف یون Y3+ و Si4+ زیاد است و این دو تحت محلول جامد قرار نمی گیرند. حلالیت Sc در SiC خالص در دمای 1800 ~ 2600 ℃ کم است، در حدود (2~3)×1017 اتم·cm-3.

② عملیات حرارتی با دمای بالا

عملیات حرارتی با دمای بالا سرامیک‌های SiC برای از بین بردن عیوب شبکه، جابجایی و تنش‌های پسماند، ارتقای تبدیل ساختاری برخی مواد آمورف به کریستال‌ها و تضعیف اثر پراکندگی فونون مفید است. علاوه بر این، عملیات حرارتی در دمای بالا می‌تواند به طور موثر رشد دانه‌های SiC را تقویت کند و در نهایت خواص حرارتی مواد را بهبود بخشد. به عنوان مثال، پس از عملیات حرارتی با دمای بالا در 1950 درجه سانتی گراد، ضریب انتشار حرارتی سرامیک های SiC از 83.03mm2·s-1 به 89.50mm2·s-1 افزایش یافت و هدایت حرارتی در دمای اتاق از 180.94W·m افزایش یافت. -1·K-1 تا 192.17W·m-1·K-1. عملیات حرارتی در دمای بالا به طور موثری توانایی اکسید زدایی کمک تف جوشی را روی سطح SiC و شبکه بهبود می بخشد و ارتباط بین دانه های SiC را محکم تر می کند. پس از عملیات حرارتی در دمای بالا، هدایت حرارتی سرامیک های SiC در دمای اتاق به طور قابل توجهی بهبود یافته است.