അർദ്ധചാലക ഫീൽഡിൽ ഉയർന്ന താപ ചാലകത SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ ആവശ്യവും പ്രയോഗവും

നിലവിൽ,സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC)സ്വദേശത്തും വിദേശത്തും സജീവമായി പഠിക്കുന്ന ഒരു താപ ചാലകമായ സെറാമിക് മെറ്റീരിയലാണ്. SiC യുടെ സൈദ്ധാന്തിക താപ ചാലകത വളരെ ഉയർന്നതാണ്, ചില ക്രിസ്റ്റൽ രൂപങ്ങൾക്ക് 270W/mK വരെ എത്താൻ കഴിയും, ഇത് ഇതിനകം തന്നെ ചാലകമല്ലാത്ത വസ്തുക്കളിൽ ഒരു നേതാവാണ്. ഉദാഹരണത്തിന്, SiC താപ ചാലകതയുടെ പ്രയോഗം അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളുടെ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകൾ, ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സെറാമിക് മെറ്റീരിയലുകൾ, അർദ്ധചാലക സംസ്കരണത്തിനുള്ള ഹീറ്ററുകൾ, ചൂടാക്കൽ പ്ലേറ്റുകൾ, ന്യൂക്ലിയർ ഇന്ധനത്തിനുള്ള ക്യാപ്‌സ്യൂൾ മെറ്റീരിയലുകൾ, കംപ്രസർ പമ്പുകൾക്കുള്ള ഗ്യാസ് സീലിംഗ് വളയങ്ങൾ എന്നിവയിൽ കാണാം.

അപേക്ഷസിലിക്കൺ കാർബൈഡ്അർദ്ധചാലക ഫീൽഡിൽ
അർദ്ധചാലക വ്യവസായത്തിലെ സിലിക്കൺ വേഫർ ഉൽപ്പാദനത്തിനുള്ള പ്രധാന പ്രക്രിയ ഉപകരണങ്ങളാണ് ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്കുകളും ഫിക്ചറുകളും. ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്ക് കാസ്റ്റ് ഇരുമ്പ് അല്ലെങ്കിൽ കാർബൺ സ്റ്റീൽ കൊണ്ടാണ് നിർമ്മിച്ചതെങ്കിൽ, അതിൻ്റെ സേവന ജീവിതം ചെറുതും താപ വിപുലീകരണ ഗുണകവും വലുതാണ്. സിലിക്കൺ വേഫറുകളുടെ പ്രോസസ്സിംഗ് സമയത്ത്, പ്രത്യേകിച്ച് ഹൈ-സ്പീഡ് ഗ്രൈൻഡിംഗ് അല്ലെങ്കിൽ പോളിഷിംഗ് സമയത്ത്, ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്കിൻ്റെ തേയ്മാനവും താപ രൂപഭേദവും കാരണം, സിലിക്കൺ വേഫറിൻ്റെ പരന്നതയും സമാന്തരതയും ഉറപ്പ് നൽകാൻ പ്രയാസമാണ്. ഗ്രൈൻഡിംഗ് ഡിസ്ക് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സ്ഉയർന്ന കാഠിന്യം കാരണം കുറഞ്ഞ വസ്ത്രങ്ങൾ ഉണ്ട്, കൂടാതെ അതിൻ്റെ താപ വികാസ ഗുണകം അടിസ്ഥാനപരമായി സിലിക്കൺ വേഫറുകളുടേതിന് സമാനമാണ്, അതിനാൽ ഇത് ഉയർന്ന വേഗതയിൽ പൊടിച്ച് മിനുക്കിയെടുക്കാൻ കഴിയും.

കൂടാതെ, സിലിക്കൺ വേഫറുകൾ നിർമ്മിക്കപ്പെടുമ്പോൾ, അവ ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ചൂട് ചികിത്സയ്ക്ക് വിധേയമാക്കേണ്ടതുണ്ട്, കൂടാതെ പലപ്പോഴും സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് ഫിക്ചറുകൾ ഉപയോഗിച്ച് കൊണ്ടുപോകുകയും ചെയ്യുന്നു. അവ ചൂട് പ്രതിരോധശേഷിയുള്ളതും നശിപ്പിക്കാത്തതുമാണ്. വജ്രം പോലെയുള്ള കാർബണും (DLC) മറ്റ് കോട്ടിംഗുകളും ഉപരിതലത്തിൽ പ്രയോഗിച്ച് പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താനും വേഫർ കേടുപാടുകൾ ലഘൂകരിക്കാനും മലിനീകരണം പടരുന്നത് തടയാനും കഴിയും.

കൂടാതെ, മൂന്നാം തലമുറ വൈഡ്-ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ പ്രതിനിധി എന്ന നിലയിൽ, സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് വലിയ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതി (എസ്ഐയുടെ ഏകദേശം 3 മടങ്ങ്), ഉയർന്ന താപ ചാലകത (എസ്ഐയുടെ 3.3 മടങ്ങ് അല്ലെങ്കിൽ 10 മടങ്ങ് എന്നിങ്ങനെയുള്ള ഗുണങ്ങളുണ്ട്. GaAs-ൻ്റേത്), ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ സാച്ചുറേഷൻ മൈഗ്രേഷൻ നിരക്ക് (Si-യുടെ ഏകദേശം 2.5 മടങ്ങ്), ഉയർന്ന ബ്രേക്ക്ഡൌൺ ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡ് (ഏകദേശം Si-യുടെ 10 മടങ്ങ് അല്ലെങ്കിൽ GaA-യുടെ 5 മടങ്ങ്). SiC ഉപകരണങ്ങൾ പ്രായോഗിക പ്രയോഗങ്ങളിൽ പരമ്പരാഗത അർദ്ധചാലക മെറ്റീരിയൽ ഉപകരണങ്ങളുടെ തകരാറുകൾ നികത്തുകയും ക്രമേണ പവർ അർദ്ധചാലകങ്ങളുടെ മുഖ്യധാരയായി മാറുകയും ചെയ്യുന്നു.

ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിൻ്റെ ആവശ്യം ഗണ്യമായി വർദ്ധിച്ചു
ശാസ്‌ത്രത്തിൻ്റെയും സാങ്കേതികവിദ്യയുടെയും തുടർച്ചയായ വികാസത്തോടെ, അർദ്ധചാലക മേഖലയിൽ സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്‌സിൻ്റെ പ്രയോഗത്തിൻ്റെ ആവശ്യം ഗണ്യമായി വർദ്ധിച്ചു, അർദ്ധചാലക നിർമ്മാണ ഉപകരണ ഘടകങ്ങളിൽ അതിൻ്റെ പ്രയോഗത്തിൻ്റെ പ്രധാന സൂചകമാണ് ഉയർന്ന താപ ചാലകത. അതിനാൽ, ഉയർന്ന താപ ചാലകത സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിനെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണം ശക്തിപ്പെടുത്തേണ്ടത് പ്രധാനമാണ്. ലാറ്റിസ് ഓക്സിജൻ്റെ അളവ് കുറയ്ക്കുക, സാന്ദ്രത മെച്ചപ്പെടുത്തുക, ലാറ്റിസിലെ രണ്ടാം ഘട്ടത്തിൻ്റെ വിതരണം ന്യായമായും നിയന്ത്രിക്കുക എന്നിവയാണ് സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിൻ്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള പ്രധാന മാർഗ്ഗങ്ങൾ.

നിലവിൽ, എൻ്റെ രാജ്യത്ത് ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിനെക്കുറിച്ച് കുറച്ച് പഠനങ്ങളുണ്ട്, ലോക നിലവാരവുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ഇപ്പോഴും വലിയ വിടവുണ്ട്. ഭാവി ഗവേഷണ ദിശകളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:
●സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക് പൗഡറിൻ്റെ തയ്യാറെടുപ്പ് പ്രക്രിയ ഗവേഷണം ശക്തിപ്പെടുത്തുക. ഉയർന്ന ശുദ്ധിയുള്ള, കുറഞ്ഞ ഓക്സിജൻ സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് പൊടി തയ്യാറാക്കുന്നത് ഉയർന്ന താപ ചാലകത സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സ് തയ്യാറാക്കുന്നതിനുള്ള അടിസ്ഥാനമാണ്;
● സിൻ്ററിംഗ് എയ്ഡുകളുടെയും അനുബന്ധ സൈദ്ധാന്തിക ഗവേഷണങ്ങളുടെയും തിരഞ്ഞെടുപ്പ് ശക്തിപ്പെടുത്തുക;
●ഉയർന്ന സിൻ്ററിംഗ് ഉപകരണങ്ങളുടെ ഗവേഷണവും വികസനവും ശക്തിപ്പെടുത്തുക. ന്യായമായ ഒരു മൈക്രോസ്ട്രക്ചർ ലഭിക്കുന്നതിന് സിൻ്ററിംഗ് പ്രക്രിയ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിലൂടെ, ഉയർന്ന താപ ചാലകത സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സ് ലഭിക്കുന്നതിന് ആവശ്യമായ വ്യവസ്ഥയാണ്.
സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സെറാമിക്സിൻ്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള നടപടികൾ
SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള പ്രധാന കാര്യം ഫോണോൺ സ്കാറ്ററിംഗ് ഫ്രീക്വൻസി കുറയ്ക്കുകയും ഫോണോൺ ശരാശരി ഫ്രീ പാത്ത് വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുക എന്നതാണ്. SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ പോറോസിറ്റിയും ധാന്യ അതിർത്തി സാന്ദ്രതയും കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെയും SiC ധാന്യ അതിരുകളുടെ പരിശുദ്ധി മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിലൂടെയും SiC ലാറ്റിസ് മാലിന്യങ്ങൾ അല്ലെങ്കിൽ ലാറ്റിസ് വൈകല്യങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെയും SiC-യിലെ താപ പ്രക്ഷേപണ കാരിയർ വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിലൂടെയും SiC യുടെ താപ ചാലകത ഫലപ്രദമായി മെച്ചപ്പെടുത്തും. നിലവിൽ, സിൻ്ററിംഗ് എയ്ഡുകളുടെ തരവും ഉള്ളടക്കവും ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുക, ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ചൂട് ചികിത്സ എന്നിവയാണ് SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ താപ ചാലകത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള പ്രധാന നടപടികൾ.

① സിൻ്ററിംഗ് എയ്ഡുകളുടെ തരവും ഉള്ളടക്കവും ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നു

ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള SiC സെറാമിക്സ് തയ്യാറാക്കുമ്പോൾ വിവിധ സിൻ്ററിംഗ് സഹായങ്ങൾ പലപ്പോഴും ചേർക്കാറുണ്ട്. അവയിൽ, സിൻ്ററിംഗ് എയ്ഡുകളുടെ തരവും ഉള്ളടക്കവും SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ താപ ചാലകതയിൽ വലിയ സ്വാധീനം ചെലുത്തുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, Al2O3 സിസ്റ്റം സിൻ്ററിംഗ് എയ്‌ഡുകളിലെ Al അല്ലെങ്കിൽ O ഘടകങ്ങൾ SiC ലാറ്റിസിലേക്ക് എളുപ്പത്തിൽ ലയിക്കുന്നു, ഇത് ഒഴിവുകളും വൈകല്യങ്ങളും ഉണ്ടാക്കുന്നു, ഇത് ഫോണൺ സ്‌കറ്ററിംഗ് ആവൃത്തിയിൽ വർദ്ധനവിന് കാരണമാകുന്നു. കൂടാതെ, സിൻ്ററിംഗ് എയ്‌ഡുകളുടെ ഉള്ളടക്കം കുറവാണെങ്കിൽ, മെറ്റീരിയൽ സിൻ്റർ ചെയ്യാനും സാന്ദ്രത വർദ്ധിപ്പിക്കാനും പ്രയാസമാണ്, അതേസമയം സിൻ്ററിംഗ് എയ്‌ഡുകളുടെ ഉയർന്ന ഉള്ളടക്കം മാലിന്യങ്ങളും വൈകല്യങ്ങളും വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് ഇടയാക്കും. അമിതമായ ലിക്വിഡ് ഫേസ് സിൻ്ററിംഗ് സഹായങ്ങൾ SiC ധാന്യങ്ങളുടെ വളർച്ചയെ തടയുകയും ഫോണണുകളുടെ ശരാശരി സ്വതന്ത്ര പാത കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യും. അതിനാൽ, ഉയർന്ന താപ ചാലകതയുള്ള SiC സെറാമിക്സ് തയ്യാറാക്കുന്നതിനായി, സിൻ്ററിംഗ് സാന്ദ്രതയുടെ ആവശ്യകതകൾ നിറവേറ്റുമ്പോൾ, സിൻ്ററിംഗ് എയ്ഡുകളുടെ ഉള്ളടക്കം കഴിയുന്നത്ര കുറയ്ക്കേണ്ടത് ആവശ്യമാണ്, കൂടാതെ SiC ലാറ്റിസിൽ ലയിക്കാൻ പ്രയാസമുള്ള സിൻ്ററിംഗ് എയ്ഡുകൾ തിരഞ്ഞെടുക്കാൻ ശ്രമിക്കുക.

*വിവിധ സിൻ്ററിംഗ് എയ്ഡുകൾ ചേർക്കുമ്പോൾ SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ താപ ഗുണങ്ങൾ

നിലവിൽ, സിൻ്ററിംഗ് സഹായമായി BeO ഉപയോഗിച്ച് സിൻ്റർ ചെയ്ത ഹോട്ട്-പ്രസ്ഡ് SiC സെറാമിക്സിന് പരമാവധി റൂം-താപനില താപ ചാലകതയുണ്ട് (270W·m-1·K-1). എന്നിരുന്നാലും, BeO വളരെ വിഷാംശമുള്ളതും അർബുദമുണ്ടാക്കുന്നതുമായ ഒരു വസ്തുവാണ്, ലബോറട്ടറികളിലോ വ്യാവസായിക മേഖലകളിലോ വ്യാപകമായ പ്രയോഗത്തിന് അനുയോജ്യമല്ല. Y2O3-Al2O3 സിസ്റ്റത്തിൻ്റെ ഏറ്റവും താഴ്ന്ന eutectic പോയിൻ്റ് 1760℃ ആണ്, ഇത് SiC സെറാമിക്സിനുള്ള ഒരു സാധാരണ ലിക്വിഡ്-ഫേസ് സിൻ്ററിംഗ് സഹായമാണ്. എന്നിരുന്നാലും, SiC ലാറ്റിസിലേക്ക് Al3+ എളുപ്പത്തിൽ ലയിക്കുന്നതിനാൽ, ഈ സംവിധാനം ഒരു സിൻ്ററിംഗ് സഹായമായി ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ, SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ മുറിയിലെ താപനില താപ ചാലകത 200W·m-1·K-1-ൽ കുറവാണ്.

Y, Sm, Sc, Gd, La തുടങ്ങിയ അപൂർവ എർത്ത് മൂലകങ്ങൾ SiC ലാറ്റിസിൽ എളുപ്പത്തിൽ ലയിക്കുന്നില്ല, ഉയർന്ന ഓക്സിജൻ അഫിനിറ്റി ഉള്ളതിനാൽ SiC ലാറ്റിസിൻ്റെ ഓക്സിജൻ്റെ അളവ് ഫലപ്രദമായി കുറയ്ക്കാൻ കഴിയും. അതിനാൽ, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) സിസ്റ്റം ഉയർന്ന താപ ചാലകത (>200W·m-1·K-1) SiC സെറാമിക്‌സ് തയ്യാറാക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു സാധാരണ സിൻ്ററിംഗ് സഹായമാണ്. Y2O3-Sc2O3 സിസ്റ്റം സിൻ്ററിംഗ് സഹായം ഒരു ഉദാഹരണമായി എടുക്കുമ്പോൾ, Y3+, Si4+ എന്നിവയുടെ അയോൺ ഡീവിയേഷൻ മൂല്യം വലുതാണ്, ഇവ രണ്ടും സോളിഡ് ലായനിക്ക് വിധേയമാകുന്നില്ല. 1800~2600℃-ൽ ശുദ്ധമായ SiC-യിലെ Sc-യുടെ സോളബിലിറ്റി ചെറുതാണ്, ഏകദേശം (2~3)×1017atoms·cm-3.

② ഉയർന്ന താപനില ചൂട് ചികിത്സ

SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ചൂട് ചികിത്സ ലാറ്റിസ് വൈകല്യങ്ങൾ, സ്ഥാനഭ്രംശങ്ങൾ, അവശിഷ്ട സമ്മർദ്ദങ്ങൾ എന്നിവ ഇല്ലാതാക്കുന്നതിനും ചില രൂപരഹിതമായ വസ്തുക്കളുടെ ഘടനാപരമായ പരിവർത്തനത്തെ ക്രിസ്റ്റലുകളാക്കി മാറ്റുന്നതിനും ഫോണോൺ സ്കാറ്ററിംഗ് പ്രഭാവം ദുർബലപ്പെടുത്തുന്നതിനും സഹായിക്കുന്നു. കൂടാതെ, ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ചൂട് ചികിത്സയ്ക്ക് SiC ധാന്യങ്ങളുടെ വളർച്ചയെ ഫലപ്രദമായി പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കാനും ആത്യന്തികമായി മെറ്റീരിയലിൻ്റെ താപ ഗുണങ്ങൾ മെച്ചപ്പെടുത്താനും കഴിയും. ഉദാഹരണത്തിന്, 1950 ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസിൽ ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ചൂട് ചികിത്സയ്ക്ക് ശേഷം, SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ തെർമൽ ഡിഫ്യൂഷൻ കോഫിഫിഷ്യൻ്റ് 83.03mm2·s-1 ൽ നിന്ന് 89.50mm2·s-1 ആയി വർദ്ധിച്ചു, കൂടാതെ മുറിയിലെ താപനില താപ ചാലകത 180.94W·m ൽ നിന്ന് വർദ്ധിച്ചു. -1·K-1 മുതൽ 192.17W·m-1·K-1 വരെ. ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ചൂട് ചികിത്സ SiC ഉപരിതലത്തിലും ലാറ്റിസിലുമുള്ള സിൻ്ററിംഗ് സഹായത്തിൻ്റെ ഡീഓക്‌സിഡേഷൻ കഴിവ് ഫലപ്രദമായി മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും SiC ധാന്യങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള ബന്ധം കൂടുതൽ ശക്തമാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ചൂട് ചികിത്സയ്ക്ക് ശേഷം, SiC സെറാമിക്സിൻ്റെ റൂം-താപനില താപ ചാലകത ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെട്ടു.