Բարձր ջերմահաղորդականության SiC կերամիկայի պահանջարկը և կիրառումը կիսահաղորդչային ոլորտում

Ներկայումս,սիլիցիումի կարբիդ (SiC)ջերմահաղորդիչ կերամիկական նյութ է, որն ակտիվորեն ուսումնասիրվում է տանը և արտերկրում: SiC-ի տեսական ջերմային հաղորդունակությունը շատ բարձր է, և որոշ բյուրեղային ձևեր կարող են հասնել 270W/mK, որն արդեն առաջատար է ոչ հաղորդիչ նյութերի շարքում: Օրինակ, SiC-ի ջերմահաղորդականության կիրառումը կարելի է տեսնել կիսահաղորդչային սարքերի ենթաշերտային նյութերում, բարձր ջերմահաղորդականությամբ կերամիկական նյութերում, կիսահաղորդչային մշակման համար նախատեսված ջեռուցիչներում և տաքացնող թիթեղներում, միջուկային վառելիքի պարկուճային նյութերում և կոմպրեսորային պոմպերի գազի կնքման օղակներում:

-ի կիրառումսիլիցիումի կարբիդկիսահաղորդչային ոլորտում

Հղկման սկավառակները և հարմարանքները կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ սիլիկոնային վաֆլի արտադրության համար կարևոր տեխնոլոգիական սարքավորումներ են: Եթե ​​հղկող սկավառակը պատրաստված է չուգունից կամ ածխածնային պողպատից, ապա դրա ծառայության ժամկետը կարճ է, իսկ ջերմային ընդլայնման գործակիցը մեծ է: Սիլիկոնային վաֆլի մշակման ժամանակ, հատկապես արագ հղկման կամ փայլեցման ժամանակ, հղկող սկավառակի մաշվածության և ջերմային դեֆորմացիայի պատճառով դժվար է երաշխավորել սիլիկոնային վաֆլի հարթությունն ու զուգահեռությունը։ Հղկման սկավառակը պատրաստված էսիլիցիումի կարբիդ կերամիկաունի ցածր մաշվածություն իր բարձր կարծրության պատճառով, և դրա ջերմային ընդարձակման գործակիցը հիմնականում նույնն է, ինչ սիլիկոնային վաֆլիները, ուստի այն կարող է մանրացնել և փայլեցնել բարձր արագությամբ:

Բացի այդ, երբ արտադրվում են սիլիցիումային վաֆլիներ, դրանք պետք է ենթարկվեն բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակման և հաճախ տեղափոխվում են սիլիցիումի կարբիդային հարմարանքներով: Դրանք ջերմակայուն են և ոչ կործանարար։ Ադամանդի նման ածխածինը (DLC) և այլ ծածկույթները կարող են կիրառվել մակերեսի վրա՝ բարելավելու աշխատանքը, մեղմելու վաֆլի վնասը և կանխելու աղտոտման տարածումը:

Ավելին, որպես երրորդ սերնդի լայնաշերտ կիսահաղորդչային նյութերի ներկայացուցիչ, սիլիցիումի կարբիդային միաբյուրեղային նյութերը ունեն այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են մեծ ժապավենի լայնությունը (մոտ 3 անգամ Si-ից), բարձր ջերմային հաղորդունակությունը (մոտ 3,3 անգամ Si-ից կամ 10 անգամ): GaAs-ի, էլեկտրոնների հագեցվածության բարձր միգրացիայի արագությունը (մոտ 2,5 անգամ Si-ից) և բարձր քայքայման էլեկտրական դաշտը (մոտ Si-ի 10 անգամ կամ GaAs-ի 5 անգամ): SiC սարքերը լրացնում են ավանդական կիսահաղորդչային նյութերի սարքերի թերությունները գործնական կիրառման մեջ և աստիճանաբար դառնում են ուժային կիսահաղորդիչների հիմնական հոսքը:

Սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի բարձր ջերմահաղորդականության պահանջարկը կտրուկ աճել է

Գիտության և տեխնոլոգիայի շարունակական զարգացման հետ մեկտեղ կտրուկ աճել է կիսահաղորդչային ոլորտում սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի կիրառման պահանջարկը, և բարձր ջերմային հաղորդունակությունը կիսահաղորդչային արտադրության սարքավորումների բաղադրիչներում դրա կիրառման հիմնական ցուցանիշն է: Հետևաբար, կարևոր է ուժեղացնել բարձր ջերմահաղորդականության սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի վերաբերյալ հետազոտությունը: Ցանցային թթվածնի պարունակության նվազեցումը, խտության բարելավումը և վանդակում երկրորդ փուլի բաշխման ողջամիտ կարգավորումը սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի ջերմային հաղորդունակությունը բարելավելու հիմնական մեթոդներն են:

Ներկայումս իմ երկրում բարձր ջերմահաղորդականության սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի վերաբերյալ քիչ ուսումնասիրություններ կան, և համաշխարհային մակարդակի համեմատ դեռևս մեծ բաց կա: Հետագա հետազոտությունների ուղղությունները ներառում են.
●Ուժեղացնել սիլիցիումի կարբիդի կերամիկական փոշու պատրաստման գործընթացի հետազոտությունը: Բարձր մաքրության, ցածր թթվածնի սիլիցիումի կարբիդի փոշու պատրաստումը հիմք է բարձր ջերմային հաղորդունակության սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի պատրաստման համար.
● Ուժեղացնել սինթերման միջոցների ընտրությունը և դրա հետ կապված տեսական հետազոտությունները;
●Ուժեղացնել բարձրակարգ սինթերման սարքավորումների հետազոտությունն ու զարգացումը: Ողջամիտ միկրոկառուցվածք ստանալու համար սինթերման գործընթացը կարգավորելով՝ անհրաժեշտ պայման է բարձր ջերմահաղորդականությամբ սիլիցիումի կարբիդային կերամիկա ձեռք բերելու համար:

Սիլիցիումի կարբիդային կերամիկայի ջերմային հաղորդունակության բարելավմանն ուղղված միջոցառումներ

SiC կերամիկայի ջերմահաղորդականության բարելավման բանալին ֆոնոնի ցրման հաճախականության նվազեցումն է և ֆոնոնի միջին ազատ ուղու ավելացումը: SiC-ի ջերմային հաղորդունակությունը արդյունավետորեն կբարելավվի՝ նվազեցնելով SiC կերամիկայի ծակոտկենությունը և հատիկի սահմանային խտությունը, բարելավելով SiC հատիկների սահմանների մաքրությունը, նվազեցնելով SiC ցանցի կեղտերը կամ ցանցի թերությունները և ավելացնելով ջերմային հոսքի փոխանցման կրիչը SiC-ում: Ներկայումս SiC կերամիկայի ջերմային հաղորդունակությունը բարելավելու հիմնական միջոցներն են սինթերման օժանդակ միջոցների տեսակի և բովանդակության օպտիմալացումը և բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակումը:

① Օպտիմալացնել սինթրինգային օժանդակ միջոցների տեսակը և բովանդակությունը

Բարձր ջերմային հաղորդունակությամբ SiC կերամիկա պատրաստելիս հաճախ ավելացվում են տարբեր սինտերման միջոցներ: Դրանցից SiC կերամիկայի ջերմահաղորդականության վրա մեծ ազդեցություն ունեն սինթերման միջոցների տեսակը և պարունակությունը։ Օրինակ, Al կամ O տարրերը Al2O3 համակարգի սինտրինգի օժանդակ միջոցներում հեշտությամբ լուծարվում են SiC ցանցի մեջ, ինչը հանգեցնում է թափուր աշխատատեղերի և թերությունների, ինչը հանգեցնում է ֆոնոնների ցրման հաճախականության ավելացման: Բացի այդ, եթե սինտրինգի օժանդակ միջոցների պարունակությունը ցածր է, նյութը դժվար է թրծվում և խտանում, մինչդեռ սինթինգային օժանդակ միջոցների բարձր պարունակությունը կհանգեցնի կեղտերի և թերությունների ավելացմանը: Հեղուկ ֆազային սինտրինգի ավելցուկային օժանդակ միջոցները կարող են նաև արգելակել SiC հատիկների աճը և նվազեցնել ֆոնոնների միջին ազատ ուղին: Հետևաբար, բարձր ջերմահաղորդականությամբ SiC կերամիկա պատրաստելու համար անհրաժեշտ է հնարավորինս նվազեցնել սինտրինգային օժանդակ միջոցների պարունակությունը՝ բավարարելով սինթրման խտության պահանջները, և փորձել ընտրել սինթրման միջոցներ, որոնք դժվար է լուծարվել SiC ցանցում:

*SiC կերամիկայի ջերմային հատկությունները, երբ ավելացվում են տարբեր սինթերման միջոցներ

Ներկայումս տաք սեղմված SiC կերամիկաները, որոնք սինթրեված են BeO-ով որպես սինթրման միջոց, ունեն սենյակային ջերմաստիճանի առավելագույն ջերմահաղորդականություն (270W·m-1·K-1): Այնուամենայնիվ, BeO-ն խիստ թունավոր նյութ է և քաղցկեղածին, և հարմար չէ լաբորատորիաներում կամ արդյունաբերական ոլորտներում լայն կիրառման համար: Y2O3-Al2O3 համակարգի ամենացածր էվեկտիկական կետը 1760 ℃ է, որը սովորական հեղուկ փուլային սինթրման միջոց է SiC կերամիկայի համար: Այնուամենայնիվ, քանի որ Al3+-ը հեշտությամբ լուծարվում է SiC ցանցի մեջ, երբ այս համակարգը օգտագործվում է որպես սինտրինգի օժանդակ միջոց, SiC կերամիկայի սենյակային ջերմաստիճանի ջերմահաղորդականությունը 200W·m-1·K-1-ից պակաս է:

Հազվագյուտ հողային տարրեր, ինչպիսիք են Y, Sm, Sc, Gd և La, հեշտությամբ լուծվում են SiC ցանցում և ունեն բարձր թթվածնի մերձեցում, ինչը կարող է արդյունավետորեն նվազեցնել SiC ցանցի թթվածնի պարունակությունը: Հետևաբար, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) համակարգը սովորական սինթրման միջոց է բարձր ջերմահաղորդականությամբ (>200W·m-1·K-1) SiC կերամիկա պատրաստելու համար: Որպես օրինակ վերցնելով Y2O3-Sc2O3 համակարգի սինթրման օգնությունը՝ Y3+ և Si4+ իոնների շեղման արժեքը մեծ է, և երկուսը չեն ենթարկվում ամուր լուծույթի: Sc-ի լուծելիությունը մաքուր SiC-ում 1800~2600℃ ջերմաստիճանում փոքր է՝ մոտ (2~3)×1017 ատոմ·սմ-3:

② Բարձր ջերմաստիճանի ջերմային բուժում

SiC կերամիկայի բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակումը նպաստում է ցանցի թերությունների, տեղահանումների և մնացորդային սթրեսների վերացմանը, նպաստում է որոշ ամորֆ նյութերի կառուցվածքային վերափոխմանը բյուրեղների և թուլացնում է ֆոնոնի ցրման էֆեկտը: Բացի այդ, բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակումը կարող է արդյունավետորեն նպաստել SiC հատիկների աճին և, ի վերջո, բարելավել նյութի ջերմային հատկությունները: Օրինակ՝ 1950°C-ում բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակումից հետո SiC կերամիկայի ջերմային դիֆուզիայի գործակիցը 83,03mm2·s-1-ից հասել է 89,50mm2·s-1-ի, իսկ սենյակային ջերմաստիճանի ջերմահաղորդականությունը՝ 180,94W·m-ից։ -1·K-1-ից մինչև 192,17W·m-1·K-1: Բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակումը արդյունավետորեն բարելավում է SiC-ի մակերեսի և ցանցի վրա սինթերման նյութի դեօքսիդացման ունակությունը և ավելի ամուր է դարձնում SiC հատիկների միջև կապը: Բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակումից հետո SiC կերամիկայի սենյակային ջերմաստիճանի ջերմահաղորդականությունը զգալիորեն բարելավվել է: