現在、炭化ケイ素（SiC）国内外で研究が盛んに行われている熱伝導性セラミックス材料です。 SiC の理論上の熱伝導率は非常に高く、一部の結晶形は 270W/mK に達することがあり、これはすでに非導電性材料の中でトップクラスです。例えば、SiCの熱伝導率の応用は、半導体デバイスの基板材料、高熱伝導性セラミック材料、半導体プロセス用のヒーターと加熱プレート、核燃料のカプセル材料、圧縮機ポンプのガスシールリングなどに見られます。
の適用炭化ケイ素半導体分野で
研削ディスクと治具は、半導体産業におけるシリコンウェーハ製造のための重要なプロセス装置です。砥石が鋳鉄や炭素鋼の場合、寿命が短く、熱膨張係数も大きい。シリコンウェーハの加工中、特に高速研削または研磨中は、研削ディスクの磨耗や熱変形により、シリコンウェーハの平面度や平行度を保証することが困難になります。で作られた研削ディスク炭化ケイ素セラミックス硬度が高いため摩耗が少なく、熱膨張係数がシリコンウェーハとほぼ同じであるため、高速での研削・研磨が可能です。
さらに、シリコンウェーハは製造時に高温の熱処理を受ける必要があり、多くの場合、炭化ケイ素製の治具を使用して輸送されます。耐熱性があり、非破壊的です。ダイヤモンド ライク カーボン (DLC) やその他のコーティングを表面に適用して、性能を向上させ、ウェーハの損傷を軽減し、汚染の拡大を防ぐことができます。
また、炭化珪素単結晶材料は、第3世代ワイドバンドギャップ半導体材料の代表格として、大きなバンドギャップ幅（Siの約3倍）、高い熱伝導率（Siの約3.3倍または10倍）などの特性を備えています。高い電子飽和移動速度（Si の約 2.5 倍）、高い絶縁破壊電界（Si の約 10 倍または GaAs の約 5 倍）を備えています。 SiCデバイスは、実用化において従来の半導体材料デバイスの欠点を補い、徐々にパワー半導体の主流になりつつあります。
高熱伝導率の炭化ケイ素セラミックの需要が劇的に増加
科学技術の継続的な発展に伴い、半導体分野における炭化ケイ素セラミックスへの応用需要が大幅に増加しており、高い熱伝導率は半導体製造装置部品への応用の重要な指標となっています。したがって、高熱伝導率の炭化ケイ素セラミックスの研究を強化することが重要です。炭化ケイ素セラミックの熱伝導率を向上させる主な方法は、格子酸素含有量の低減、密度の向上、格子内の第 2 相の分布の合理的な調整です。
現在、我が国における高熱伝導率炭化ケイ素セラミックスに関する研究は少なく、世界レベルと比較すると依然として大きな差があります。今後の研究の方向性は次のとおりです。
●炭化ケイ素セラミック粉末の製造プロセス研究を強化します。高純度、低酸素の炭化ケイ素粉末の調製は、高熱伝導率の炭化ケイ素セラミックの調製の基礎となります。
● 焼結助剤の選択と関連する理論的研究を強化する。
●ハイエンド焼結装置の研究開発を強化します。焼結プロセスを調整して適度な微細構造を得ることが、高熱伝導率の炭化ケイ素セラミックスを得るには必須の条件となります。
炭化ケイ素セラミックスの熱伝導率向上対策
SiC セラミックの熱伝導率を向上させる鍵は、フォノン散乱周波数を低減し、フォノン平均自由行程を増加させることです。 SiC の熱伝導率は、SiC セラミックの気孔率と粒界密度を低減し、SiC 粒界の純度を向上させ、SiC 格子不純物または格子欠陥を低減し、SiC 内の熱流伝達キャリアを増加させることによって効果的に改善されます。現在、SiCセラミックスの熱伝導率を向上させるためには、焼結助剤の種類や含有量の最適化、高温熱処理が主な対策となっています。
① 焼結助剤の種類と配合量の最適化
高熱伝導率の SiC セラミックを製造する際には、さまざまな焼結助剤が添加されることがよくあります。中でも焼結助剤の種類と含有量はSiCセラミックスの熱伝導率に大きな影響を与えます。例えば、Al2O3 系焼結助剤中の Al や O 元素は SiC 格子中に容易に溶解し、空孔や欠陥を生じ、フォノン散乱周波数の増加につながります。また、焼結助剤の含有量が少ないと材料が焼結しにくく緻密化しにくくなり、焼結助剤の含有量が多いと不純物や欠陥が増加する。過剰な液相焼結助剤も、SiC 粒子の成長を阻害し、フォノンの平均自由行程を減少させる可能性があります。したがって、高熱伝導率のSiCセラミックスを作製するには、焼結密度の要求を満たしながら焼結助剤の含有量を可能な限り低減し、SiC格子に溶解しにくい焼結助剤を選択するように努める必要があります。
※各種焼結助剤を添加した場合のSiCセラミックスの熱特性
現在、焼結助剤として BeO を使用して焼結されたホットプレスされた SiC セラミックは、室温で最大の熱伝導率 (270W・m-1・K-1) を持っています。しかし、BeO は非常に有毒な物質であり、発がん性があるため、研究室や産業分野での広範な応用には適していません。 Y2O3-Al2O3系の最低共晶点は1760℃であり、これはSiCセラミックスの一般的な液相焼結助剤です。しかし、Al3+ は SiC 格子に溶けやすいため、この系を焼結助剤として使用すると、SiC セラミックスの室温熱伝導率は 200W・m-1・K-1 未満になります。
Y、Sm、Sc、Gd、Laなどの希土類元素はSiC格子に溶けにくく、酸素親和力が高いため、SiC格子の酸素含有量を効果的に低減できます。したがって、Y2O3-RE2O3 (RE=Sm、Sc、Gd、La) 系は、高熱伝導率 (>200W・m-1・K-1) SiC セラミックを製造するための一般的な焼結助剤です。 Y2O3-Sc2O3系焼結助剤を例にとると、Y3+とSi4+のイオン偏差値が大きく、両者は固溶しない。 1800~2600℃における純SiC中のScの溶解度は小さく、約(2~3)×1017atoms・cm-3である。
②高温熱処理
SiC セラミックの高温熱処理は、格子欠陥、転位、残留応力を除去し、一部のアモルファス材料の結晶への構造変態を促進し、フォノン散乱効果を弱めるのに役立ちます。さらに、高温熱処理により SiC 粒子の成長が効果的に促進され、最終的に材料の熱特性が向上します。例えば、1950℃の高温熱処理後のSiCセラミックスの熱拡散係数は83.03mm2・s-1から89.50mm2・s-1に増加し、室温の熱伝導率は180.94W・mから増加しました。 -1・K-1～192.17W・m-1・K-1。高温熱処理により、SiC 表面および格子上の焼結助剤の脱酸能力が効果的に向上し、SiC 粒子間の結合がより強固になります。高温熱処理後、SiC セラミックスの室温熱伝導率は大幅に向上しました。
投稿日時: 2024 年 10 月 24 日