דרישה ויישום של קרמיקה SiC מוליכות תרמית גבוהה בתחום המוליכים למחצה

כַּיוֹם,סיליקון קרביד (SiC)הוא חומר קרמי מוליך תרמית שנלמד באופן פעיל בבית ומחוצה לו. המוליכות התרמית התיאורטית של SiC גבוהה מאוד, וכמה צורות גבישים יכולות להגיע ל-270W/mK, שהיא כבר מובילה בין חומרים לא מוליכים. לדוגמה, ניתן לראות את היישום של מוליכות תרמית SiC בחומרי המצע של התקני מוליכים למחצה, חומרים קרמיים מוליכות תרמית גבוהה, תנורי חימום ופלטות חימום לעיבוד מוליכים למחצה, חומרי קפסולה לדלק גרעיני וטבעות איטום גז עבור משאבות מדחסים.

יישום שלסיליקון קרבידבתחום המוליכים למחצה
דיסקים וגופי השחזה הם ציוד תהליך חשוב לייצור פרוסות סיליקון בתעשיית המוליכים למחצה. אם דיסק השחזה עשוי מברזל יצוק או פלדת פחמן, חיי השירות שלו קצרים ומקדם ההתפשטות התרמית שלו גדול. במהלך עיבוד פרוסות סיליקון, במיוחד בזמן השחזה או ליטוש במהירות גבוהה, עקב הבלאי והעיוות התרמי של דיסק ההשחזה, קשה להבטיח את השטיחות וההקבלה של פרוסות הסיליקון. דיסק השחזה עשויקרמיקה סיליקון קרבידבעל בלאי נמוך בגלל הקשיות הגבוהה שלו, ומקדם ההתפשטות התרמית שלו זהה בעצם לזה של פרוסות סיליקון, כך שניתן לטחון ולהבריק במהירות גבוהה.

בנוסף, כאשר מייצרים פרוסות סיליקון, הן צריכות לעבור טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה ולעיתים קרובות מועברות באמצעות מתקני סיליקון קרביד. הם עמידים בחום ולא הרסניים. ניתן ליישם פחמן דמוי יהלום (DLC) וציפויים אחרים על פני השטח כדי לשפר את הביצועים, להקל על נזקי פרוסות ולמנוע התפשטות זיהום.

יתר על כן, כנציג של חומרי המוליכים למחצה רחבי פס מהדור השלישי, לחומרי סיליקון קרביד גבישיים בודדים יש תכונות כמו רוחב פס גדול (כפי 3 מזה של Si), מוליכות תרמית גבוהה (כפי 3.3 מזו של Si או פי 10 זה של GaAs), קצב נדידת רוויון אלקטרונים גבוה (כפי 2.5 מזה של Si) ושדה חשמלי פירוק גבוה (כפי 10 זה של Si או פי 5 מזה של GaAs). התקני SiC מפצים על הפגמים של התקני חומר מוליכים למחצה מסורתיים ביישומים מעשיים והופכים בהדרגה לזרם המרכזי של מוליכים למחצה.

הדרישה לקרמיקה של סיליקון קרביד עם מוליכות תרמית גבוהה גדלה באופן דרמטי
עם ההתפתחות המתמשכת של המדע והטכנולוגיה, הדרישה ליישום של קרמיקה סיליקון קרביד בתחום המוליכים למחצה גדלה באופן דרמטי, ומוליכות תרמית גבוהה היא אינדיקטור מרכזי ליישומה ברכיבי ציוד לייצור מוליכים למחצה. לכן, זה חיוני לחזק את המחקר על מוליכות תרמית גבוהה קרמיקה סיליקון קרביד. הפחתת תכולת החמצן של הסריג, שיפור הצפיפות וויסות סביר של התפלגות השלב השני בסריג הן השיטות העיקריות לשיפור המוליכות התרמית של קרמיקה סיליקון קרביד.

נכון לעכשיו, ישנם מעט מחקרים על קרמיקה סיליקון קרביד עם מוליכות תרמית גבוהה במדינה שלי, ועדיין יש פער גדול בהשוואה לרמה העולמית. כיווני מחקר עתידיים כוללים:
לחזק את מחקר תהליך ההכנה של אבקת סיליקון קרביד קרמית. הכנת אבקת סיליקון קרביד בטוהר גבוה ודל חמצן היא הבסיס להכנת קרמיקה של סיליקון קרביד עם מוליכות תרמית גבוהה;
● לחזק את הבחירה של עזרי סינטר ומחקר תיאורטי קשור;
●חיזוק המחקר והפיתוח של ציוד סינטר מתקדם. על ידי ויסות תהליך הסינטרינג לקבלת מבנה מיקרו סביר, זהו תנאי הכרחי לקבלת קרמיקה סיליקון קרביד מוליכות תרמית גבוהה.
אמצעים לשיפור המוליכות התרמית של קרמיקה סיליקון קרביד
המפתח לשיפור המוליכות התרמית של קרמיקה SiC הוא הפחתת תדר פיזור הפונונים והגדלת הנתיב החופשי הממוצע של הפונונים. המוליכות התרמית של SiC תשתפר ביעילות על ידי הפחתת הנקבוביות וצפיפות גבול התבואה של קרמיקה SiC, שיפור הטוהר של גבולות גרגירי SiC, הפחתת זיהומי סריג SiC או פגמי סריג, והגדלת נושא העברת זרימת החום ב- SiC. נכון לעכשיו, ייעול הסוג והתכולה של עזרי סינטר וטיפול בחום בטמפרטורה גבוהה הם האמצעים העיקריים לשיפור המוליכות התרמית של קרמיקה SiC.

① ייעול הסוג והתכולה של עזרי סינטר

עזרי סינטר שונים מתווספים לעתים קרובות בעת הכנת קרמיקה SiC מוליכות תרמית גבוהה. ביניהם, לסוג ולתכולתם של עזרי סינטר יש השפעה רבה על המוליכות התרמית של קרמיקה SiC. לדוגמה, אלמנטים Al או O בעזרי סינטר מערכת Al2O3 מומסים בקלות לתוך סריג SiC, וכתוצאה מכך מקומות פנויים ופגמים, מה שמוביל לעלייה בתדירות פיזור הפונונים. בנוסף, אם תכולת עזרי סינטר נמוכה, החומר קשה לסינטר ולצפיפות, בעוד שתכולה גבוהה של עזרי סינטר תביא לעלייה בזיהומים ופגמים. עזרי סינטר שלב נוזלי מוגזמים עשויים גם לעכב את הצמיחה של גרגרי SiC ולהפחית את הנתיב החופשי הממוצע של פונונים. לכן, על מנת להכין קרמיקה SiC עם מוליכות תרמית גבוהה, יש צורך להפחית ככל האפשר את תכולת עזרי הסינטר תוך עמידה בדרישות צפיפות הסינטר, ולנסות לבחור אביזרי סינטר שקשה להמיס בסריג ה-SiC.

*תכונות תרמיות של קרמיקה SiC כאשר מוסיפים עזרי סינטר שונים

נכון לעכשיו, קרמיקת SiC בכבישה חמה המולבנת עם BeO כעזר סינטר היא בעלת מוליכות תרמית מקסימלית בטמפרטורת החדר (270W·m-1·K-1). עם זאת, BeO הוא חומר רעיל מאוד ומסרטן, ואינו מתאים ליישום נרחב במעבדות או בתחומי תעשייה. הנקודה האוטקטית הנמוכה ביותר של מערכת Y2O3-Al2O3 היא 1760℃, המהווה עזר נפוץ לשלב נוזלי לקרמיקה של SiC. עם זאת, מכיוון ש-Al3+ מומס בקלות לתוך סריג ה- SiC, כאשר מערכת זו משמשת כעזר סינטר, המוליכות התרמית בטמפרטורת החדר של קרמיקה SiC היא פחות מ-200W·m-1·K-1.

יסודות אדמה נדירים כגון Y, Sm, Sc, Gd ו-La אינם מסיסים בקלות בסריג SiC ויש להם זיקה חמצן גבוהה, מה שיכול להפחית ביעילות את תכולת החמצן של סריג SiC. לכן, מערכת Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) היא כלי עזר נפוץ להכנת מוליכות תרמית גבוהה (>200W·m-1·K-1) קרמיקה SiC. אם ניקח לדוגמה את עזר הסינטר של מערכת Y2O3-Sc2O3, ערך סטיית היונים של Y3+ ו-Si4+ גדול, והשניים אינם עוברים פתרון מוצק. המסיסות של Sc ב-SiC טהור ב-1800~2600℃ קטנה, בערך (2~3)×1017אטומים·ס"מ-3.

② טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה

טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה של קרמיקה SiC תורם לחיסול פגמי סריג, נקעים ומתחים שיוריים, מקדם את הטרנספורמציה המבנית של כמה חומרים אמורפיים לגבישים, והחלשת אפקט פיזור הפונונים. בנוסף, טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה יכול לקדם ביעילות את הצמיחה של גרגרי SiC, ובסופו של דבר לשפר את התכונות התרמיות של החומר. לדוגמה, לאחר טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה ב-1950 מעלות צלזיוס, מקדם הדיפוזיה התרמית של קרמיקה SiC עלה מ-83.03mm2·s-1 ל-89.50mm2·s-1, והמוליכות התרמית בטמפרטורת החדר גדלה מ-180.94W·m -1·K-1 עד 192.17W·m-1·K-1. טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה משפר ביעילות את יכולת ההתחמצנות של עזר הסינטר על פני השטח והסריג של SiC, והופך את החיבור בין גרגרי SiC להדוק יותר. לאחר טיפול בחום בטמפרטורה גבוהה, המוליכות התרמית בטמפרטורת החדר של קרמיקה SiC שופרה משמעותית.