સેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રમાં ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા SiC સિરામિક્સની માંગ અને એપ્લિકેશન

હાલમાં,સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC)થર્મલી વાહક સિરામિક સામગ્રી છે જેનો સક્રિયપણે દેશ અને વિદેશમાં અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. SiC ની સૈદ્ધાંતિક થર્મલ વાહકતા ખૂબ ઊંચી છે, અને કેટલાક સ્ફટિક સ્વરૂપો 270W/mK સુધી પહોંચી શકે છે, જે પહેલેથી જ બિન-વાહક સામગ્રીમાં અગ્રેસર છે. ઉદાહરણ તરીકે, SiC થર્મલ વાહકતાનો ઉપયોગ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોની સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિરામિક સામગ્રી, સેમિકન્ડક્ટર પ્રોસેસિંગ માટે હીટર અને હીટિંગ પ્લેટ્સ, પરમાણુ ઇંધણ માટે કેપ્સ્યુલ સામગ્રી અને કોમ્પ્રેસર પંપ માટે ગેસ સીલિંગ રિંગ્સમાં જોઈ શકાય છે.

ની અરજીસિલિકોન કાર્બાઇડસેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રમાં

સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં સિલિકોન વેફર ઉત્પાદન માટે ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્ક અને ફિક્સર મહત્વપૂર્ણ પ્રક્રિયા સાધનો છે. જો ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્ક કાસ્ટ આયર્ન અથવા કાર્બન સ્ટીલની બનેલી હોય, તો તેની સેવા જીવન ટૂંકી હોય છે અને તેનો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક મોટો હોય છે. સિલિકોન વેફરની પ્રક્રિયા દરમિયાન, ખાસ કરીને હાઇ-સ્પીડ ગ્રાઇન્ડીંગ અથવા પોલિશિંગ દરમિયાન, ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્કના વસ્ત્રો અને થર્મલ વિકૃતિને કારણે, સિલિકોન વેફરની સપાટતા અને સમાંતરતાની ખાતરી આપવી મુશ્કેલ છે. બનેલી ગ્રાઇન્ડીંગ ડિસ્કસિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સતેની ઊંચી કઠિનતાને કારણે તે ઓછા વસ્ત્રો ધરાવે છે, અને તેનો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક મૂળભૂત રીતે સિલિકોન વેફર્સ જેટલો જ છે, તેથી તે ઊંચી ઝડપે ગ્રાઉન્ડ અને પોલિશ કરી શકાય છે.

વધુમાં, જ્યારે સિલિકોન વેફર્સનું ઉત્પાદન કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેમને ઉચ્ચ-તાપમાનની ગરમીની સારવારમાંથી પસાર થવું પડે છે અને ઘણીવાર સિલિકોન કાર્બાઇડ ફિક્સરનો ઉપયોગ કરીને પરિવહન કરવામાં આવે છે. તેઓ ગરમી-પ્રતિરોધક અને બિન-વિનાશક છે. હીરા જેવા કાર્બન (DLC) અને અન્ય કોટિંગ્સ સપાટી પર કાર્યક્ષમતા વધારવા, વેફરના નુકસાનને ઘટાડવા અને દૂષણને ફેલાતા અટકાવવા માટે લાગુ કરી શકાય છે.

વધુમાં, ત્રીજી પેઢીના વાઈડ-બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સના પ્રતિનિધિ તરીકે, સિલિકોન કાર્બાઈડ સિંગલ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલ્સમાં મોટા બેન્ડગેપ પહોળાઈ (Si કરતાં લગભગ 3 ગણી), ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (Si કરતાં લગભગ 3.3 ગણી અથવા 10 ગણી) જેવા ગુણધર્મો હોય છે. GaAs નું), ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન સંતૃપ્તિ સ્થળાંતર દર (Si કરતા લગભગ 2.5 ગણો) અને ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર (Si કરતા લગભગ 10 ગણું અથવા GaAs કરતા 5 ગણું). SiC ઉપકરણો પ્રાયોગિક એપ્લિકેશનમાં પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના ઉપકરણોની ખામીઓ માટે બનાવે છે અને ધીમે ધીમે પાવર સેમિકન્ડક્ટરની મુખ્ય પ્રવાહ બની રહી છે.

ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની માંગ નાટ્યાત્મક રીતે વધી છે

વિજ્ઞાન અને ટેક્નોલોજીના સતત વિકાસ સાથે, સેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રમાં સિલિકોન કાર્બાઈડ સિરામિક્સના ઉપયોગની માંગમાં નાટ્યાત્મક વધારો થયો છે, અને ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન સાધનોના ઘટકોમાં તેની એપ્લિકેશન માટે મુખ્ય સૂચક છે. તેથી, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સ પર સંશોધનને મજબૂત બનાવવું મહત્વપૂર્ણ છે. જાળીમાં ઓક્સિજનનું પ્રમાણ ઘટાડવું, ઘનતામાં સુધારો કરવો અને જાળીમાં બીજા તબક્કાના વિતરણને વ્યાજબી રીતે નિયંત્રિત કરવું એ સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતાને સુધારવા માટેની મુખ્ય પદ્ધતિઓ છે.

હાલમાં, મારા દેશમાં ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સ પર થોડા અભ્યાસો છે, અને વિશ્વ સ્તરની સરખામણીમાં હજુ પણ મોટો તફાવત છે. ભાવિ સંશોધન દિશાઓમાં શામેલ છે:
●સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક પાવડરની તૈયારી પ્રક્રિયા સંશોધનને મજબૂત બનાવો. ઉચ્ચ-શુદ્ધતા, ઓછી ઓક્સિજન સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવડરની તૈયારી ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની તૈયારી માટેનો આધાર છે;
● સિન્ટરિંગ એઇડ્સની પસંદગી અને સંબંધિત સૈદ્ધાંતિક સંશોધનને મજબૂત બનાવવું;
● હાઇ-એન્ડ સિન્ટરિંગ સાધનોના સંશોધન અને વિકાસને મજબૂત બનાવો. વાજબી માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર મેળવવા માટે સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાને નિયંત્રિત કરીને, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સ મેળવવા માટે તે આવશ્યક સ્થિતિ છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડ સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા સુધારવાનાં પગલાં

SiC સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા સુધારવા માટેની ચાવી એ ફોનન સ્કેટરિંગ ફ્રીક્વન્સી ઘટાડવા અને ફોનોન મીન ફ્રી પાથને વધારવી છે. SiC ની થર્મલ વાહકતા SiC સિરામિક્સની છિદ્રાળુતા અને અનાજની સીમા ઘનતા ઘટાડીને, SiC અનાજની સીમાઓની શુદ્ધતામાં સુધારો કરીને, SiC જાળીની અશુદ્ધિઓ અથવા જાળીની ખામીઓને ઘટાડીને અને SiCમાં ગરમીના પ્રવાહ ટ્રાન્સમિશન કેરિયરને વધારીને અસરકારક રીતે સુધારવામાં આવશે. હાલમાં, સિન્ટરિંગ એઇડ્સના પ્રકાર અને સામગ્રીને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવું અને ઉચ્ચ-તાપમાન હીટ ટ્રીટમેન્ટ એ SiC સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતાને સુધારવા માટેના મુખ્ય પગલાં છે.

① સિન્ટરિંગ એઇડ્સના પ્રકાર અને સામગ્રીને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવું

ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા SiC સિરામિક્સ તૈયાર કરતી વખતે વિવિધ સિન્ટરિંગ સહાયકો ઘણીવાર ઉમેરવામાં આવે છે. તેમાંથી, સિન્ટરિંગ એઇડ્સના પ્રકાર અને સામગ્રીનો SiC સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા પર મોટો પ્રભાવ છે. ઉદાહરણ તરીકે, Al2O3 સિસ્ટમ સિન્ટરિંગ એઇડ્સમાં Al અથવા O તત્વો સરળતાથી SiC જાળીમાં ઓગળી જાય છે, પરિણામે ખાલી જગ્યાઓ અને ખામીઓ થાય છે, જે ફોનોન સ્કેટરિંગ ફ્રીક્વન્સીમાં વધારો તરફ દોરી જાય છે. વધુમાં, જો સિન્ટરિંગ એઇડ્સની સામગ્રી ઓછી હોય, તો સામગ્રીને સિન્ટરિંગ અને ઘનતા કરવી મુશ્કેલ છે, જ્યારે સિન્ટરિંગ એઇડ્સની ઉચ્ચ સામગ્રી અશુદ્ધિઓ અને ખામીઓમાં વધારો તરફ દોરી જશે. અતિશય પ્રવાહી તબક્કા સિન્ટરિંગ એઇડ્સ પણ SiC અનાજના વિકાસને અટકાવી શકે છે અને ફોનોન્સના સરેરાશ મુક્ત માર્ગને ઘટાડી શકે છે. તેથી, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા SiC સિરામિક્સ તૈયાર કરવા માટે, સિન્ટરિંગ ઘનતાની આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરતી વખતે સિન્ટરિંગ સહાયની સામગ્રીને શક્ય તેટલી ઓછી કરવી જરૂરી છે, અને સિન્ટરિંગ એડ્સ પસંદ કરવાનો પ્રયાસ કરો જે SiC જાળીમાં ઓગળવા મુશ્કેલ છે.

*SIC સિરામિક્સના થર્મલ ગુણધર્મો જ્યારે વિવિધ સિન્ટરિંગ એડ્સ ઉમેરવામાં આવે છે

હાલમાં, સિન્ટરિંગ સહાય તરીકે BeO સાથે સિન્ટર કરાયેલ હોટ-પ્રેસ્ડ SiC સિરામિક્સમાં મહત્તમ રૂમ-તાપમાન થર્મલ વાહકતા (270W·m-1·K-1) હોય છે. જો કે, BeO એ અત્યંત ઝેરી પદાર્થ અને કાર્સિનોજેનિક છે અને તે પ્રયોગશાળાઓ અથવા ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક ઉપયોગ માટે યોગ્ય નથી. Y2O3-Al2O3 સિસ્ટમનો સૌથી નીચો યુટેક્ટિક બિંદુ 1760℃ છે, જે SiC સિરામિક્સ માટે સામાન્ય લિક્વિડ-ફેઝ સિન્ટરિંગ સહાય છે. જો કે, Al3+ સરળતાથી SiC જાળીમાં ઓગળી જાય છે, જ્યારે આ સિસ્ટમનો ઉપયોગ સિન્ટરિંગ સહાય તરીકે થાય છે, ત્યારે SiC સિરામિક્સની રૂમ-તાપમાન થર્મલ વાહકતા 200W·m-1·K-1 કરતા ઓછી હોય છે.

દુર્લભ પૃથ્વી તત્વો જેમ કે Y, Sm, Sc, Gd અને La SiC જાળીમાં સરળતાથી દ્રાવ્ય નથી અને ઉચ્ચ ઓક્સિજન સંબંધ ધરાવે છે, જે SiC જાળીની ઓક્સિજન સામગ્રીને અસરકારક રીતે ઘટાડી શકે છે. તેથી, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) સિસ્ટમ ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (>200W·m-1·K-1) SiC સિરામિક્સ તૈયાર કરવા માટે સામાન્ય સિન્ટરિંગ સહાય છે. ઉદાહરણ તરીકે Y2O3-Sc2O3 સિસ્ટમ સિન્ટરિંગ સહાયને લઈએ, Y3+ અને Si4+ નું આયન વિચલન મૂલ્ય મોટું છે, અને બંને નક્કર ઉકેલમાંથી પસાર થતા નથી. 1800~2600℃ પર શુદ્ધ SiC માં Sc ની દ્રાવ્યતા નાની છે, લગભગ (2~3)×1017Atoms·cm-3.

② ઉચ્ચ તાપમાન ગરમી સારવાર

SiC સિરામિક્સની ઉચ્ચ તાપમાનની હીટ ટ્રીટમેન્ટ જાળીની ખામી, અવ્યવસ્થા અને અવશેષ તણાવને દૂર કરવા, સ્ફટિકોમાં કેટલાક આકારહીન પદાર્થોના માળખાકીય રૂપાંતરને પ્રોત્સાહન આપવા અને ફોનોન સ્કેટરિંગ અસરને નબળી પાડવા માટે અનુકૂળ છે. વધુમાં, ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર અસરકારક રીતે SiC અનાજના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપી શકે છે, અને આખરે સામગ્રીના થર્મલ ગુણધર્મોને સુધારી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 1950°C પર ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર પછી, SiC સિરામિક્સનો થર્મલ પ્રસરણ ગુણાંક 83.03mm2·s-1 થી વધીને 89.50mm2·s-1 થયો, અને ઓરડાના તાપમાને થર્મલ વાહકતા 180.94W·m થી વધી -1·K-1 થી 192.17W·m-1·K-1. ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર SiC સપાટી અને જાળી પર સિન્ટરિંગ સહાયની ડિઓક્સિડેશન ક્ષમતાને અસરકારક રીતે સુધારે છે, અને SiC અનાજ વચ્ચેના જોડાણને વધુ કડક બનાવે છે. ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમીની સારવાર પછી, SiC સિરામિક્સની રૂમ-તાપમાન થર્મલ વાહકતા નોંધપાત્ર રીતે સુધારેલ છે.