현재,탄화규소(SiC)국내외에서 활발히 연구되고 있는 열전도성 세라믹 소재입니다. SiC의 이론적 열전도율은 매우 높으며 일부 결정 형태는 270W/mK에 도달할 수 있는데, 이는 이미 비전도성 재료 중 선두주자입니다. 예를 들어 반도체 소자의 기판 소재, 고열전도성 세라믹 소재, 반도체 가공용 히터 및 가열판, 핵연료용 캡슐 소재, 압축기 펌프용 가스 밀봉 링 등에 SiC 열전도도를 적용할 수 있습니다.
적용탄화규소반도체 분야에서
그라인딩 디스크와 고정 장치는 반도체 산업에서 실리콘 웨이퍼 생산을 위한 중요한 공정 장비입니다. 연삭 디스크가 주철 또는 탄소강으로 만들어진 경우 수명이 짧고 열팽창 계수가 큽니다. 실리콘 웨이퍼 가공 중, 특히 고속 연삭 또는 연마 중에 연삭 디스크의 마모 및 열 변형으로 인해 실리콘 웨이퍼의 평탄도 및 평행도를 보장하기 어렵습니다. 그라인딩 디스크는실리콘 카바이드 세라믹경도가 높아 마모가 적고 열팽창 계수가 기본적으로 실리콘 웨이퍼와 동일하므로 고속 연삭 및 연마가 가능합니다.
또한, 실리콘 웨이퍼를 생산할 때 고온 열처리를 거쳐야 하며 탄화규소 고정 장치를 사용하여 운송되는 경우가 많습니다. 내열성이 있고 비파괴적입니다. DLC(다이아몬드 유사 탄소) 및 기타 코팅을 표면에 적용하여 성능을 향상시키고, 웨이퍼 손상을 완화하며, 오염 확산을 방지할 수 있습니다.
또한, 3세대 와이드 밴드갭 반도체 소재의 대표격인 탄화규소 단결정 소재는 큰 밴드갭 폭(Si의 약 3배), 높은 열전도도(Si의 약 3.3배 또는 10배) 등의 특성을 갖고 있다. GaAs의 약 10배, GaAs의 약 5배, 높은 전자 포화 이동률(Si의 약 2.5배), 높은 항복 전기장(Si의 약 10배 또는 GaAs의 5배)을 자랑합니다. SiC 디바이스는 실제 응용 분야에서 기존 반도체 소재 디바이스의 단점을 보완하며 점차 전력 반도체의 주류로 자리잡고 있습니다.
고열 전도성 실리콘 카바이드 세라믹에 대한 수요가 급격히 증가했습니다.
과학과 기술이 지속적으로 발전함에 따라 반도체 분야에서 탄화 규소 세라믹 적용에 대한 수요가 급격히 증가했으며 높은 열전도도는 반도체 제조 장비 부품에 적용하는 데 있어 핵심 지표입니다. 따라서 고열전도도의 탄화규소 세라믹에 대한 연구를 강화하는 것이 중요합니다. 격자 산소 함량을 줄이고 밀도를 향상시키며 격자 내 두 번째 상의 분포를 합리적으로 조절하는 것이 탄화규소 세라믹의 열전도도를 향상시키는 주요 방법입니다.
현재 우리나라에서는 고열전도도 탄화규소 세라믹에 대한 연구가 거의 없으며 세계 수준과 비교하면 여전히 큰 격차가 있습니다. 향후 연구 방향은 다음과 같습니다.
●탄화규소 세라믹 분말 제조 공정 연구를 강화합니다. 고순도, 저산소 탄화규소 분말의 제조는 고열 전도성 탄화규소 세라믹 제조의 기초입니다.
● 소결 보조제 선택 및 관련 이론 연구를 강화합니다.
●고급 소결 장비의 연구 개발을 강화합니다. 합리적인 미세 구조를 얻기 위해 소결 공정을 조절함으로써 높은 열전도율의 탄화 규소 세라믹을 얻는 것이 필요한 조건입니다.
탄화규소 세라믹의 열전도도 향상 방안
SiC 세라믹의 열전도도를 향상시키는 핵심은 포논 산란 주파수를 줄이고 포논 평균 자유 경로를 늘리는 것입니다. SiC의 열전도도는 SiC 세라믹의 다공성 및 결정립계 밀도를 줄이고, SiC 결정립계의 순도를 향상시키며, SiC 격자 불순물 또는 격자 결함을 줄이고, SiC의 열 흐름 전달 캐리어를 증가시킴으로써 효과적으로 향상됩니다. 현재, 소결조제의 종류와 함량을 최적화하는 것과 고온 열처리는 SiC 세라믹의 열전도도를 향상시키는 주요 방법이다.
① 소결조제의 종류 및 함량 최적화
열전도율이 높은 SiC 세라믹을 제조할 때 다양한 소결 보조제가 첨가되는 경우가 많습니다. 그 중 소결조제의 종류와 함량은 SiC 세라믹의 열전도도에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, Al2O3 시스템 소결 보조제의 Al 또는 O 원소는 SiC 격자에 쉽게 용해되어 공극 및 결함이 발생하고 이로 인해 포논 산란 빈도가 증가합니다. 또한, 소결조제의 함량이 낮으면 재료의 소결 및 치밀화가 어렵고, 소결조제의 함량이 높으면 불순물 및 결함이 증가하게 된다. 과도한 액상 소결 보조제는 SiC 입자의 성장을 억제하고 포논의 평균 자유 경로를 감소시킬 수도 있습니다. 따라서 열전도도가 높은 SiC 세라믹을 제조하기 위해서는 소결밀도 요구사항을 충족시키면서 소결조제의 함량을 최대한 줄여야 하며, SiC 격자에 용해되기 어려운 소결조제를 선택하려고 노력해야 한다.
*다양한 소결 보조제를 첨가할 때 SiC 세라믹의 열적 특성
현재 BeO를 소결조제로 소결한 핫프레스 SiC 세라믹은 최대 상온 열전도율(270W·m-1·K-1)을 갖고 있다. 그러나 BeO는 독성이 매우 높고 발암성이 있는 물질이므로 실험실이나 산업 분야에 널리 적용하기에는 적합하지 않습니다. Y2O3-Al2O3 시스템의 최저 공융점은 1760℃이며 이는 SiC 세라믹의 일반적인 액상 소결 보조제입니다. 그러나 Al3+는 SiC 격자에 쉽게 용해되기 때문에 이 시스템을 소결 보조제로 사용할 경우 SiC 세라믹의 상온 열전도율은 200W·m-1·K-1 미만입니다.
Y, Sm, Sc, Gd 및 La와 같은 희토류 원소는 SiC 격자에 쉽게 용해되지 않으며 산소 친화도가 높아 SiC 격자의 산소 함량을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 따라서 Y2O3-RE2O3(RE=Sm, Sc, Gd, La) 시스템은 높은 열 전도성(>200W·m-1·K-1) SiC 세라믹을 제조하기 위한 일반적인 소결 보조제입니다. Y2O3-Sc2O3계 소결조제를 예로 들면, Y3+와 Si4+의 이온 편차 값이 크고, 둘 다 고용되지 않습니다. 1800~2600℃에서 순수 SiC에 대한 Sc의 용해도는 약 (2~3)×1017원자·cm-3 정도로 작습니다.
② 고온 열처리
SiC 세라믹의 고온 열처리는 격자 결함, 전위 및 잔류 응력을 제거하고 일부 비정질 재료의 결정으로의 구조적 변형을 촉진하며 포논 산란 효과를 약화시키는 데 도움이 됩니다. 또한, 고온 열처리는 SiC 입자의 성장을 효과적으로 촉진하여 궁극적으로 재료의 열적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 1950°C에서 고온 열처리 후 SiC 세라믹의 열확산계수는 83.03mm2·s-1에서 89.50mm2·s-1로 증가했고, 상온 열전도율은 180.94W·m에서 증가했습니다. -1·K-1 ~ 192.17W·m-1·K-1. 고온 열처리는 SiC 표면과 격자의 소결 보조제의 탈산 능력을 효과적으로 향상시키고 SiC 입자 간의 연결을 더욱 단단하게 만듭니다. 고온 열처리 후 SiC 세라믹의 상온 열전도율이 크게 향상되었습니다.
게시 시간: 2024년 10월 24일