अर्धचालक क्षेत्र में उच्च तापीय चालकता SiC सिरेमिक की मांग और अनुप्रयोग

वर्तमान में,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)एक तापीय प्रवाहकीय सिरेमिक सामग्री है जिसका देश और विदेश में सक्रिय रूप से अध्ययन किया जाता है। SiC की सैद्धांतिक तापीय चालकता बहुत अधिक है, और कुछ क्रिस्टल रूप 270W/mK तक पहुंच सकते हैं, जो पहले से ही गैर-प्रवाहकीय सामग्रियों में अग्रणी है। उदाहरण के लिए, SiC तापीय चालकता के अनुप्रयोग को अर्धचालक उपकरणों की सब्सट्रेट सामग्री, उच्च तापीय चालकता सिरेमिक सामग्री, अर्धचालक प्रसंस्करण के लिए हीटर और हीटिंग प्लेट, परमाणु ईंधन के लिए कैप्सूल सामग्री और कंप्रेसर पंपों के लिए गैस सीलिंग रिंग में देखा जा सकता है।

का अनुप्रयोगसिलिकन कार्बाइडअर्धचालक क्षेत्र में
सेमीकंडक्टर उद्योग में सिलिकॉन वेफर उत्पादन के लिए ग्राइंडिंग डिस्क और फिक्स्चर महत्वपूर्ण प्रक्रिया उपकरण हैं। यदि ग्राइंडिंग डिस्क कच्चा लोहा या कार्बन स्टील से बनी है, तो इसकी सेवा का जीवन छोटा है और इसका थर्मल विस्तार गुणांक बड़ा है। सिलिकॉन वेफर्स के प्रसंस्करण के दौरान, विशेष रूप से उच्च गति पीसने या पॉलिशिंग के दौरान, पीसने वाली डिस्क के पहनने और थर्मल विरूपण के कारण, सिलिकॉन वेफर की सपाटता और समानता की गारंटी देना मुश्किल होता है। ग्राइंडिंग डिस्क किससे बनी होती है?सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकइसकी उच्च कठोरता के कारण इसका घिसाव कम होता है, और इसका थर्मल विस्तार गुणांक मूल रूप से सिलिकॉन वेफर्स के समान होता है, इसलिए इसे उच्च गति पर जमीन और पॉलिश किया जा सकता है।

इसके अलावा, जब सिलिकॉन वेफर्स का उत्पादन किया जाता है, तो उन्हें उच्च तापमान ताप उपचार से गुजरना पड़ता है और अक्सर सिलिकॉन कार्बाइड फिक्स्चर का उपयोग करके परिवहन किया जाता है। वे गर्मी प्रतिरोधी और गैर-विनाशकारी हैं। प्रदर्शन को बढ़ाने, वेफर क्षति को कम करने और प्रदूषण को फैलने से रोकने के लिए सतह पर हीरे जैसा कार्बन (डीएलसी) और अन्य कोटिंग्स लगाई जा सकती हैं।

इसके अलावा, तीसरी पीढ़ी के वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्रियों के प्रतिनिधि के रूप में, सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल सामग्रियों में बड़ी बैंडगैप चौड़ाई (सी की लगभग 3 गुना), उच्च तापीय चालकता (सी की लगभग 3.3 गुना या 10 गुना) जैसे गुण होते हैं। GaAs का), उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति प्रवासन दर (Si का लगभग 2.5 गुना) और उच्च विखंडन विद्युत क्षेत्र (Si का लगभग 10 गुना या GaAs का 5 गुना)। SiC उपकरण व्यावहारिक अनुप्रयोगों में पारंपरिक अर्धचालक सामग्री उपकरणों के दोषों को पूरा करते हैं और धीरे-धीरे बिजली अर्धचालकों की मुख्यधारा बन रहे हैं।

उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की मांग में नाटकीय रूप से वृद्धि हुई है
विज्ञान और प्रौद्योगिकी के निरंतर विकास के साथ, सेमीकंडक्टर क्षेत्र में सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक के अनुप्रयोग की मांग नाटकीय रूप से बढ़ गई है, और उच्च तापीय चालकता सेमीकंडक्टर विनिर्माण उपकरण घटकों में इसके अनुप्रयोग के लिए एक प्रमुख संकेतक है। इसलिए, उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पर अनुसंधान को मजबूत करना महत्वपूर्ण है। जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करना, घनत्व में सुधार करना, और जाली में दूसरे चरण के वितरण को उचित रूप से विनियमित करना सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार करने के मुख्य तरीके हैं।

वर्तमान में, मेरे देश में उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पर कुछ अध्ययन हुए हैं, और विश्व स्तर की तुलना में अभी भी एक बड़ा अंतर है। भविष्य के शोध निर्देशों में शामिल हैं:
●सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक पाउडर की तैयारी प्रक्रिया अनुसंधान को मजबूत करें। उच्च शुद्धता, कम ऑक्सीजन वाले सिलिकॉन कार्बाइड पाउडर की तैयारी उच्च तापीय चालकता वाले सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तैयारी का आधार है;
● सिंटरिंग सहायता और संबंधित सैद्धांतिक अनुसंधान के चयन को मजबूत करना;
●उच्च-स्तरीय सिंटरिंग उपकरण के अनुसंधान और विकास को मजबूत करना। एक उचित माइक्रोस्ट्रक्चर प्राप्त करने के लिए सिंटरिंग प्रक्रिया को विनियमित करके, उच्च तापीय चालकता सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक प्राप्त करना एक आवश्यक शर्त है।
सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार के उपाय
SiC सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार करने की कुंजी फोनन बिखरने की आवृत्ति को कम करना और फोनन माध्य मुक्त पथ को बढ़ाना है। SiC सिरेमिक की सरंध्रता और अनाज सीमा घनत्व को कम करके, SiC अनाज सीमाओं की शुद्धता में सुधार करके, SiC जाली अशुद्धियों या जाली दोषों को कम करके, और SiC में गर्मी प्रवाह संचरण वाहक को बढ़ाकर SiC की तापीय चालकता में प्रभावी ढंग से सुधार किया जाएगा। वर्तमान में, सिंटरिंग सहायता के प्रकार और सामग्री का अनुकूलन और उच्च तापमान ताप उपचार SiC सिरेमिक की तापीय चालकता में सुधार के मुख्य उपाय हैं।

① सिंटरिंग सहायता के प्रकार और सामग्री का अनुकूलन

उच्च तापीय चालकता वाले SiC सिरेमिक तैयार करते समय अक्सर विभिन्न सिंटरिंग सहायताएँ जोड़ी जाती हैं। उनमें से, सिंटरिंग सहायता के प्रकार और सामग्री का SiC सिरेमिक की तापीय चालकता पर बहुत प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, Al2O3 सिस्टम सिंटरिंग सहायता में Al या O तत्व आसानी से SiC जाली में घुल जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप रिक्तियां और दोष होते हैं, जिससे फोनन बिखरने की आवृत्ति में वृद्धि होती है। इसके अलावा, यदि सिंटरिंग एड्स की सामग्री कम है, तो सामग्री को सिंटर करना और सघन करना मुश्किल है, जबकि सिंटरिंग एड्स की उच्च सामग्री से अशुद्धियों और दोषों में वृद्धि होगी। अत्यधिक तरल चरण सिंटरिंग सहायता भी SiC अनाज के विकास को रोक सकती है और फोनन के औसत मुक्त पथ को कम कर सकती है। इसलिए, उच्च तापीय चालकता SiC सिरेमिक तैयार करने के लिए, सिंटरिंग घनत्व की आवश्यकताओं को पूरा करते हुए सिंटरिंग एड्स की सामग्री को जितना संभव हो उतना कम करना आवश्यक है, और ऐसे सिंटरिंग एड्स चुनने का प्रयास करें जो SiC जाली में घुलना मुश्किल हो।

*जब विभिन्न सिंटरिंग सहायक उपकरण जोड़े जाते हैं तो SiC सिरेमिक के थर्मल गुण

वर्तमान में, सिंटरिंग सहायता के रूप में BeO के साथ सिंटर किए गए हॉट-प्रेस्ड SiC सिरेमिक में अधिकतम कमरे के तापमान की तापीय चालकता (270W·m-1·K-1) होती है। हालाँकि, BeO एक अत्यधिक विषैला पदार्थ और कैंसरकारी है, और प्रयोगशालाओं या औद्योगिक क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त नहीं है। Y2O3-Al2O3 प्रणाली का निम्नतम यूटेक्टिक बिंदु 1760℃ है, जो SiC सिरेमिक के लिए एक सामान्य तरल-चरण सिंटरिंग सहायता है। हालाँकि, चूंकि Al3+ आसानी से SiC जाली में घुल जाता है, जब इस प्रणाली का उपयोग सिंटरिंग सहायता के रूप में किया जाता है, तो SiC सिरेमिक की कमरे के तापमान की तापीय चालकता 200W·m-1·K-1 से कम होती है।

वाई, एसएम, एससी, जीडी और ला जैसे दुर्लभ पृथ्वी तत्व SiC जाली में आसानी से घुलनशील नहीं होते हैं और इनमें उच्च ऑक्सीजन बन्धुता होती है, जो SiC जाली की ऑक्सीजन सामग्री को प्रभावी ढंग से कम कर सकती है। इसलिए, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली उच्च तापीय चालकता (>200W·m-1·K-1) SiC सिरेमिक तैयार करने के लिए एक सामान्य सिंटरिंग सहायता है। एक उदाहरण के रूप में Y2O3-Sc2O3 सिस्टम सिंटरिंग सहायता लेते हुए, Y3+ और Si4+ का आयन विचलन मान बड़ा है, और दोनों ठोस समाधान से नहीं गुजरते हैं। 1800~2600℃ पर शुद्ध SiC में Sc की घुलनशीलता छोटी है, लगभग (2~3)×1017atoms·cm-3।

② उच्च तापमान ताप उपचार

SiC सिरेमिक का उच्च तापमान ताप उपचार जाली दोषों, अव्यवस्थाओं और अवशिष्ट तनावों को खत्म करने, कुछ अनाकार सामग्रियों के क्रिस्टल में संरचनात्मक परिवर्तन को बढ़ावा देने और फोनन बिखरने के प्रभाव को कमजोर करने के लिए अनुकूल है। इसके अलावा, उच्च तापमान ताप उपचार प्रभावी ढंग से SiC अनाज के विकास को बढ़ावा दे सकता है, और अंततः सामग्री के थर्मल गुणों में सुधार कर सकता है। उदाहरण के लिए, 1950°C पर उच्च तापमान ताप उपचार के बाद, SiC सिरेमिक का तापीय प्रसार गुणांक 83.03mm2·s-1 से बढ़कर 89.50mm2·s-1 हो गया, और कमरे के तापमान की तापीय चालकता 180.94W·m से बढ़ गई। -1·K-1 से 192.17W·m-1·K-1. उच्च तापमान ताप उपचार प्रभावी ढंग से SiC सतह और जाली पर सिंटरिंग सहायता की डीऑक्सीडेशन क्षमता में सुधार करता है, और SiC अनाज के बीच संबंध को मजबूत बनाता है। उच्च तापमान ताप उपचार के बाद, SiC सिरेमिक की कमरे के तापमान तापीय चालकता में काफी सुधार हुआ है।