მაღალი თბოგამტარობის SiC კერამიკის მოთხოვნა და გამოყენება ნახევარგამტარულ სფეროში

ამჟამად,სილიციუმის კარბიდი (SiC)არის თბოგამტარი კერამიკული მასალა, რომელიც აქტიურად არის შესწავლილი სახლში და მის ფარგლებს გარეთ. SiC-ის თეორიული თბოგამტარობა ძალიან მაღალია და ზოგიერთი კრისტალური ფორმა შეიძლება მიაღწიოს 270 W/mK-ს, რაც უკვე ლიდერია არაგამტარ მასალებში. მაგალითად, SiC თბოგამტარობის გამოყენება ჩანს ნახევარგამტარული მოწყობილობების სუბსტრატის მასალებში, მაღალი თბოგამტარობის კერამიკულ მასალებს, გამათბობლებსა და გამათბობელ ფირფიტებს ნახევარგამტარული დამუშავებისთვის, კაფსულის მასალებში ბირთვული საწვავისთვის და გაზის დალუქვის რგოლებში კომპრესორული ტუმბოებისთვის.

განაცხადისსილიციუმის კარბიდინახევარგამტარულ სფეროში

საფქვავი დისკები და მოწყობილობები მნიშვნელოვანი პროცესის მოწყობილობაა სილიკონის ვაფლის წარმოებისთვის ნახევარგამტარულ ინდუსტრიაში. თუ სახეხი დისკი დამზადებულია თუჯისგან ან ნახშირბადოვანი ფოლადისგან, მისი მომსახურების ვადა ხანმოკლეა და თერმული გაფართოების კოეფიციენტი დიდი. სილიკონის ვაფლის დამუშავების დროს, განსაკუთრებით მაღალსიჩქარიანი დაფქვის ან გაპრიალების დროს, საფქვავი დისკის ცვეთა და თერმული დეფორმაციის გამო, სილიკონის ვაფლის სიბრტყის და პარალელურობის გარანტია რთულია. საფქვავი დისკი დამზადებულიასილიციუმის კარბიდის კერამიკააქვს დაბალი ცვეთა მისი მაღალი სიხისტის გამო და მისი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ძირითადად იგივეა, რაც სილიკონის ვაფლის კოეფიციენტი, ამიტომ შესაძლებელია მისი დაფქვა და გაპრიალება მაღალი სიჩქარით.

გარდა ამისა, სილიკონის ვაფლის წარმოებისას მათ უნდა გაიარონ მაღალი ტემპერატურის თერმული დამუშავება და ხშირად ტრანსპორტირება ხდება სილიციუმის კარბიდის მოწყობილობების გამოყენებით. ისინი სითბოს მდგრადია და არა დესტრუქციული. ალმასის მსგავსი ნახშირბადი (DLC) და სხვა საფარები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ზედაპირზე მუშაობის გასაუმჯობესებლად, ვაფლის დაზიანების შესამსუბუქებლად და დაბინძურების გავრცელების თავიდან ასაცილებლად.

გარდა ამისა, როგორც მესამე თაობის ფართო ზოლიანი ნახევარგამტარული მასალების წარმომადგენელს, სილიციუმის კარბიდის ერთკრისტალურ მასალებს აქვთ ისეთი თვისებები, როგორიცაა ზოლის დიდი სიგანე (დაახლოებით 3-ჯერ მეტი Si-ზე), მაღალი თბოგამტარობა (დაახლოებით 3,3-ჯერ მეტი Si-ზე ან 10-ჯერ). GaAs-ის, ელექტრონის გაჯერების მაღალი მიგრაციის სიჩქარე (დაახლოებით 2,5-ჯერ მეტი Si-ზე) და მაღალი დაშლის ელექტრული ველი (დაახლოებით Si-ზე 10-ჯერ ან GaAs-ზე 5-ჯერ). SiC მოწყობილობები ახდენენ ტრადიციული ნახევარგამტარული მასალების მოწყობილობების დეფექტებს პრაქტიკულ გამოყენებაში და თანდათანობით ხდება ენერგიის ნახევარგამტარების ძირითადი ნაწილი.

მოთხოვნა მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკაზე მკვეთრად გაიზარდა

მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უწყვეტი განვითარებით, ნახევარგამტარულ სფეროში სილიციუმის კარბიდის კერამიკის გამოყენებაზე მოთხოვნა მკვეთრად გაიზარდა და მაღალი თერმული კონდუქტომეტრი არის მისი გამოყენების ძირითადი მაჩვენებელი ნახევარგამტარული წარმოების აღჭურვილობის კომპონენტებში. აქედან გამომდინარე, გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს კვლევების გაძლიერებას მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკაზე. მედის ჟანგბადის შემცველობის შემცირება, სიმკვრივის გაუმჯობესება და გისოსში მეორე ფაზის განაწილების გონივრული რეგულირება სილიციუმის კარბიდის კერამიკის თბოგამტარობის გაუმჯობესების ძირითადი მეთოდებია.

დღეისათვის ჩემს ქვეყანაში არის რამდენიმე კვლევა მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკაზე და ჯერ კიდევ არის დიდი უფსკრული მსოფლიო დონესთან შედარებით. მომავალი კვლევის მიმართულებები მოიცავს:
●სილიციუმის კარბიდის კერამიკული ფხვნილის მომზადების პროცესის გაძლიერება. მაღალი სისუფთავის, დაბალი ჟანგბადის სილიციუმის კარბიდის ფხვნილის მომზადება არის მაღალი თბოგამტარობის სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მომზადების საფუძველი;
● გაძლიერდეს აგლომერაციის დამხმარე საშუალებების შერჩევა და მასთან დაკავშირებული თეორიული კვლევები;
●გაძლიერდეს მაღალი დონის აგლომერაციის მოწყობილობების კვლევა და განვითარება. აგლომერაციის პროცესის რეგულირებით გონივრული მიკროსტრუქტურის მისაღებად, აუცილებელი პირობაა სილიციუმის კარბიდის კერამიკის მაღალი თბოგამტარობის მიღება.

ზომები სილიციუმის კარბიდის კერამიკის თბოგამტარობის გასაუმჯობესებლად

SiC კერამიკის თბოგამტარობის გაუმჯობესების გასაღები არის ფონონის გაფანტვის სიხშირის შემცირება და ფონონის საშუალო თავისუფალი ბილიკის გაზრდა. SiC-ის თბოგამტარობა ეფექტურად გაუმჯობესდება SiC კერამიკის ფორიანობის და მარცვლის საზღვრის სიმკვრივის შემცირებით, SiC მარცვლის საზღვრების სისუფთავის გაუმჯობესებით, SiC გისოსების მინარევების ან გისოსების დეფექტების შემცირებით და SiC-ში სითბოს გადაცემის მატარებლის გაზრდით. ამჟამად, აგლომერაციის დამხმარე საშუალებების ტიპისა და შინაარსის ოპტიმიზაცია და მაღალტემპერატურული თერმული დამუშავება არის ძირითადი ზომები SiC კერამიკის თბოგამტარობის გასაუმჯობესებლად.

① შედუღების დამხმარე საშუალებების ტიპისა და შინაარსის ოპტიმიზაცია

მაღალი თბოგამტარობის SiC კერამიკის მომზადებისას ხშირად ემატება სხვადასხვა აგლომერაციის დამხმარე საშუალებები. მათ შორის, აგლომერაციის დამხმარე საშუალებების ტიპი და შინაარსი დიდ გავლენას ახდენს SiC კერამიკის თბოგამტარობაზე. მაგალითად, Al ან O ელემენტები Al2O3 სისტემის აგლომერაციის დამხმარე საშუალებებში ადვილად იშლება SiC გისოსებში, რაც იწვევს ვაკანსიებს და დეფექტებს, რაც იწვევს ფონონის გაფანტვის სიხშირის ზრდას. გარდა ამისა, თუ შედუღების დამხმარე საშუალებების შემცველობა დაბალია, მასალა ძნელად იშლება და გამკვრივდება, ხოლო აგლომერაციის დამხმარე საშუალებების მაღალი შემცველობა გამოიწვევს მინარევების და დეფექტების ზრდას. ჭარბი თხევადი ფაზის აგლომერაციის დამხმარე საშუალებებმა შეიძლება ასევე შეაფერხოს SiC მარცვლების ზრდა და შეამციროს ფონონების საშუალო თავისუფალი გზა. ამიტომ, მაღალი თბოგამტარობის SiC კერამიკის მოსამზადებლად აუცილებელია შედუღების სიმკვრივის მოთხოვნების დაკმაყოფილების დროს შედუღების დამხმარე საშუალებების შემცველობა მაქსიმალურად შევამციროთ და შევეცადოთ აირჩიოთ აგლომერაციის დამხმარე საშუალებები, რომლებიც ძნელად იხსნება SiC გისოსებში.

*SiC კერამიკის თერმული თვისებები სხვადასხვა აგლომერაციის დამხმარე საშუალებების დამატებისას

ამჟამად, ცხელი დაპრესილი SiC კერამიკა, რომელიც აგლომერირებულია BeO-ით, როგორც აგლომერაციის დამხმარე საშუალება, აქვს ოთახის ტემპერატურის მაქსიმალური თბოგამტარობა (270W·m-1·K-1). თუმცა, BeO არის უაღრესად ტოქსიკური მასალა და კანცეროგენი და არ არის შესაფერისი ლაბორატორიებში ან სამრეწველო სფეროებში ფართო გამოყენებისთვის. Y2O3-Al2O3 სისტემის ყველაზე დაბალი ევტექტიკური წერტილი არის 1760℃, რომელიც წარმოადგენს SiC კერამიკის ჩვეულებრივი თხევადი ფაზის აგლომერაციის დამხმარე საშუალებას. თუმცა, ვინაიდან Al3+ ადვილად იშლება SiC გისოსებში, როდესაც ეს სისტემა გამოიყენება აგლომერაციის დამხმარედ, SiC კერამიკის ოთახის ტემპერატურის თბოგამტარობა 200W·m-1·K-1-ზე ნაკლებია.

იშვიათი დედამიწის ელემენტები, როგორიცაა Y, Sm, Sc, Gd და La არ არის ადვილად ხსნადი SiC ქსელში და აქვთ მაღალი ჟანგბადის მიდრეკილება, რამაც შეიძლება ეფექტურად შეამციროს ჟანგბადის შემცველობა SiC ქსელში. ამიტომ, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) სისტემა არის ჩვეულებრივი აგლომერაციის დამხმარე საშუალება მაღალი თბოგამტარობის (>200W·m-1·K-1) SiC კერამიკის მოსამზადებლად. Y2O3-Sc2O3 სისტემის აგლომერაციის შემწეობის მაგალითის გათვალისწინებით, Y3+ და Si4+ იონური გადახრის მნიშვნელობა დიდია და ორივე არ განიცდის მყარ ხსნარს. Sc-ის ხსნადობა სუფთა SiC-ში 1800~2600℃ ტემპერატურაზე მცირეა, დაახლოებით (2~3)×1017 ატომები·cm-3.

② მაღალი ტემპერატურის სითბოს მკურნალობა

SiC კერამიკის მაღალი ტემპერატურის თერმული დამუშავება ხელს უწყობს გისოსების დეფექტების, დისლოკაციებისა და ნარჩენი სტრესების აღმოფხვრას, ხელს უწყობს ზოგიერთი ამორფული მასალის სტრუქტურულ ტრანსფორმაციას კრისტალებად და ასუსტებს ფონონის გაფანტვის ეფექტს. გარდა ამისა, მაღალტემპერატურულ თერმულ დამუშავებას შეუძლია ეფექტურად შეუწყოს ხელი SiC მარცვლების ზრდას და საბოლოოდ გააუმჯობესოს მასალის თერმული თვისებები. მაგალითად, 1950°C-ზე მაღალი ტემპერატურული თერმული დამუშავების შემდეგ, SiC კერამიკის თერმული დიფუზიის კოეფიციენტი გაიზარდა 83.03mm2·s-1-დან 89.50mm2·s-1-მდე, ხოლო ოთახის ტემპერატურაზე თბოგამტარობა გაიზარდა 180.94W·m-დან. -1·K-1-დან 192,17W·m-1·K-1-მდე. მაღალი ტემპერატურით თერმული დამუშავება ეფექტურად აუმჯობესებს აგლომერაციის შემწეობის დეოქსიდაციის უნარს SiC ზედაპირზე და გისოსებზე და აძლიერებს კავშირს SiC მარცვლებს შორის. მაღალი ტემპერატურული თერმული დამუშავების შემდეგ, საგრძნობლად გაუმჯობესდა SiC კერამიკის ოთახის ტემპერატურის თბოგამტარობა.