सेमीकंडक्टर क्षेत्रात उच्च थर्मल चालकता SiC सिरेमिकची मागणी आणि वापर

सध्या,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)थर्मलली प्रवाहकीय सिरेमिक सामग्री आहे ज्याचा सक्रियपणे देश आणि परदेशात अभ्यास केला जातो. SiC ची सैद्धांतिक थर्मल चालकता खूप जास्त आहे, आणि काही क्रिस्टल फॉर्म 270W/mK पर्यंत पोहोचू शकतात, जे आधीपासूनच गैर-वाहक सामग्रीमध्ये अग्रगण्य आहे. उदाहरणार्थ, SiC थर्मल चालकतेचा वापर सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या सब्सट्रेट सामग्रीमध्ये, उच्च थर्मल चालकता सिरॅमिक सामग्री, सेमीकंडक्टर प्रक्रियेसाठी हीटर्स आणि हीटिंग प्लेट्स, आण्विक इंधनासाठी कॅप्सूल सामग्री आणि कंप्रेसर पंपसाठी गॅस सीलिंग रिंगमध्ये पाहिले जाऊ शकते.

चा अर्जसिलिकॉन कार्बाइडअर्धसंवाहक क्षेत्रात
सेमीकंडक्टर उद्योगात सिलिकॉन वेफर उत्पादनासाठी ग्राइंडिंग डिस्क आणि फिक्स्चर ही महत्त्वपूर्ण प्रक्रिया उपकरणे आहेत. जर ग्राइंडिंग डिस्क कास्ट आयरन किंवा कार्बन स्टीलची बनलेली असेल, तर त्याचे सेवा आयुष्य कमी आहे आणि त्याचे थर्मल विस्तार गुणांक मोठे आहे. सिलिकॉन वेफर्सच्या प्रक्रियेदरम्यान, विशेषत: हाय-स्पीड ग्राइंडिंग किंवा पॉलिशिंग दरम्यान, ग्राइंडिंग डिस्कच्या पोशाख आणि थर्मल विकृतीमुळे, सिलिकॉन वेफरच्या सपाटपणा आणि समांतरपणाची हमी देणे कठीण आहे. बनलेली ग्राइंडिंग डिस्कसिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकत्याच्या उच्च कडकपणामुळे कमी पोशाख आहे, आणि त्याचा थर्मल विस्तार गुणांक मुळात सिलिकॉन वेफर्स सारखाच आहे, त्यामुळे ते उच्च वेगाने ग्राउंड आणि पॉलिश केले जाऊ शकते.

याव्यतिरिक्त, जेव्हा सिलिकॉन वेफर्स तयार केले जातात तेव्हा त्यांना उच्च-तापमान उष्णता उपचार करावे लागतात आणि बहुतेक वेळा सिलिकॉन कार्बाइड फिक्स्चर वापरून वाहतूक केली जाते. ते उष्णता-प्रतिरोधक आणि विना-विध्वंसक आहेत. कामगिरी वाढवण्यासाठी, वेफरचे नुकसान कमी करण्यासाठी आणि दूषित होण्यापासून रोखण्यासाठी डायमंड-सदृश कार्बन (DLC) आणि इतर कोटिंग्स पृष्ठभागावर लागू केले जाऊ शकतात.

शिवाय, तिसऱ्या पिढीच्या वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टर सामग्रीचे प्रतिनिधी म्हणून, सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल मटेरियलमध्ये मोठे बँडगॅप रुंदी (Si च्या सुमारे 3 पट), उच्च थर्मल चालकता (Si च्या 3.3 पट किंवा 10 पट) असे गुणधर्म असतात. GaAs चे), उच्च इलेक्ट्रॉन संपृक्तता स्थलांतर दर (Si च्या सुमारे 2.5 पट) आणि उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड (Si च्या 10 पट किंवा GaAs च्या 5 पट). SiC उपकरणे व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये पारंपारिक सेमीकंडक्टर मटेरियल डिव्हाइसेसच्या दोषांची पूर्तता करतात आणि हळूहळू पॉवर सेमीकंडक्टरचा मुख्य प्रवाह बनत आहेत.

उच्च थर्मल चालकता सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकची मागणी नाटकीयरित्या वाढली आहे
विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या निरंतर विकासासह, सेमीकंडक्टर क्षेत्रात सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सच्या वापराची मागणी नाटकीयरित्या वाढली आहे आणि उच्च थर्मल चालकता हे सेमीकंडक्टर उत्पादन उपकरणांच्या घटकांमध्ये त्याच्या वापरासाठी एक प्रमुख सूचक आहे. त्यामुळे उच्च थर्मल चालकता सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सवरील संशोधनाला बळकटी देणे महत्त्वाचे आहे. सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सची थर्मल चालकता सुधारण्यासाठी जाळीतील ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी करणे, घनता सुधारणे आणि जाळीतील दुसऱ्या टप्प्याच्या वितरणाचे वाजवी नियमन करणे या मुख्य पद्धती आहेत.

सध्या, माझ्या देशात उच्च थर्मल चालकता सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सवर काही अभ्यास आहेत आणि जागतिक स्तराच्या तुलनेत अजूनही मोठी तफावत आहे. भविष्यातील संशोधन दिशानिर्देशांमध्ये हे समाविष्ट आहे:
●सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक पावडर तयार करण्याच्या प्रक्रियेचे संशोधन मजबूत करा. उच्च-शुद्धता, कमी-ऑक्सिजन सिलिकॉन कार्बाइड पावडरची तयारी उच्च थर्मल चालकता सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक तयार करण्यासाठी आधार आहे;
● सिंटरिंग एड्स आणि संबंधित सैद्धांतिक संशोधनाची निवड मजबूत करणे;
● हाय-एंड सिंटरिंग उपकरणांचे संशोधन आणि विकास मजबूत करा. वाजवी मायक्रोस्ट्रक्चर प्राप्त करण्यासाठी सिंटरिंग प्रक्रियेचे नियमन करून, उच्च थर्मल चालकता सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्स प्राप्त करणे आवश्यक आहे.
सिलिकॉन कार्बाइड सिरॅमिक्सची थर्मल चालकता सुधारण्यासाठी उपाय
SiC सिरेमिकची थर्मल चालकता सुधारण्याची गुरुकिल्ली म्हणजे फोनॉन स्कॅटरिंग फ्रिक्वेंसी कमी करणे आणि फोनॉन मीन फ्री पाथ वाढवणे. SiC ची थर्मल चालकता SiC सिरॅमिक्सची सच्छिद्रता आणि धान्य सीमा घनता कमी करून, SiC धान्याच्या सीमांची शुद्धता सुधारून, SiC जाळीतील अशुद्धता किंवा जाळीतील दोष कमी करून आणि SiC मधील उष्णता प्रवाह संप्रेषण वाहक वाढवून प्रभावीपणे सुधारली जाईल. सध्या, सिंटरिंग एड्सचा प्रकार आणि सामग्री अनुकूल करणे आणि उच्च-तापमान उष्णता उपचार हे SiC सिरेमिकची थर्मल चालकता सुधारण्यासाठी मुख्य उपाय आहेत.

① सिंटरिंग एड्सचा प्रकार आणि सामग्री ऑप्टिमाइझ करणे

उच्च थर्मल चालकता SiC सिरेमिक तयार करताना विविध सिंटरिंग एड्स अनेकदा जोडल्या जातात. त्यापैकी, सिंटरिंग एड्सचा प्रकार आणि सामग्रीचा SiC सिरेमिकच्या थर्मल चालकतेवर मोठा प्रभाव आहे. उदाहरणार्थ, Al2O3 सिस्टीम सिंटरिंग एड्समधील Al किंवा O घटक सहजपणे SiC जाळीमध्ये विरघळतात, परिणामी रिक्त जागा आणि दोष निर्माण होतात, ज्यामुळे फोनॉन स्कॅटरिंग वारंवारता वाढते. याव्यतिरिक्त, जर सिंटरिंग एड्सची सामग्री कमी असेल तर, सामग्री सिंटर करणे आणि घनता करणे कठीण आहे, तर सिंटरिंग एड्सच्या उच्च सामग्रीमुळे अशुद्धता आणि दोष वाढतात. जास्त प्रमाणात लिक्विड फेज सिंटरिंग एड्स देखील SiC धान्यांच्या वाढीस प्रतिबंध करू शकतात आणि फोनन्सचा मध्यम मुक्त मार्ग कमी करू शकतात. म्हणून, उच्च थर्मल चालकता SiC सिरॅमिक्स तयार करण्यासाठी, सिंटरिंग घनतेच्या आवश्यकता पूर्ण करताना शक्य तितक्या सिंटरिंग एड्सची सामग्री कमी करणे आवश्यक आहे आणि सिंटरिंग एड्स निवडण्याचा प्रयत्न करा जे SiC जाळीमध्ये विरघळणे कठीण आहे.

*विविध सिंटरिंग एड्स जोडल्यावर SiC सिरेमिकचे थर्मल गुणधर्म

सध्या, सिंटरिंग मदत म्हणून BeO सह सिंटर केलेल्या गरम दाबलेल्या SiC सिरेमिकमध्ये कमाल खोली-तापमान थर्मल चालकता (270W·m-1·K-1) असते. तथापि, BeO ही अत्यंत विषारी सामग्री आणि कार्सिनोजेनिक आहे आणि प्रयोगशाळा किंवा औद्योगिक क्षेत्रात व्यापक वापरासाठी योग्य नाही. Y2O3-Al2O3 प्रणालीचा सर्वात कमी युटेक्टिक पॉइंट 1760℃ आहे, जो SiC सिरेमिकसाठी सामान्य लिक्विड-फेज सिंटरिंग मदत आहे. तथापि, Al3+ हे SiC जाळीमध्ये सहज विरघळत असल्याने, जेव्हा ही प्रणाली सिंटरिंग मदत म्हणून वापरली जाते, तेव्हा SiC सिरेमिकची खोली-तापमान थर्मल चालकता 200W·m-1·K-1 पेक्षा कमी असते.

Y, Sm, Sc, Gd आणि La सारखे दुर्मिळ पृथ्वीचे घटक SiC जाळीमध्ये सहज विरघळणारे नसतात आणि त्यांना उच्च ऑक्सिजन आत्मीयता असते, ज्यामुळे SiC जाळीतील ऑक्सिजन सामग्री प्रभावीपणे कमी होऊ शकते. म्हणून, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली ही उच्च थर्मल चालकता (>200W·m-1·K-1) SiC सिरेमिक तयार करण्यासाठी एक सामान्य सिंटरिंग मदत आहे. उदाहरण म्हणून Y2O3-Sc2O3 सिस्टीम सिंटरिंग मदत घेतल्यास, Y3+ आणि Si4+ चे आयन विचलन मूल्य मोठे आहे, आणि दोघांमध्ये ठोस समाधान होत नाही. 1800~2600℃ वर शुद्ध SiC मध्ये Sc ची विद्राव्यता लहान आहे, सुमारे (2~3)×1017atoms·cm-3.

② उच्च तापमान उष्णता उपचार

SiC सिरॅमिक्सचे उच्च तापमान उष्णता उपचार जाळीतील दोष, विघटन आणि अवशिष्ट ताण दूर करण्यासाठी, काही आकारहीन पदार्थांचे क्रिस्टल्समध्ये संरचनात्मक परिवर्तनास प्रोत्साहन देण्यासाठी आणि फोनॉन स्कॅटरिंग प्रभाव कमकुवत करण्यासाठी अनुकूल आहे. याव्यतिरिक्त, उच्च-तापमान उष्णता उपचार प्रभावीपणे SiC धान्यांच्या वाढीस प्रोत्साहन देऊ शकते आणि शेवटी सामग्रीच्या थर्मल गुणधर्मांमध्ये सुधारणा करू शकते. उदाहरणार्थ, 1950°C वर उच्च-तापमान उष्णता उपचारानंतर, SiC सिरेमिकचे थर्मल डिफ्यूजन गुणांक 83.03mm2·s-1 वरून 89.50mm2·s-1 पर्यंत वाढले आणि खोली-तापमानाची थर्मल चालकता 180.94W·m वरून वाढली. -1·K-1 ते 192.17W·m-1·K-1. उच्च-तापमान उष्णता उपचार SiC पृष्ठभाग आणि जाळीवरील सिंटरिंग मदतीची डीऑक्सीडेशन क्षमता प्रभावीपणे सुधारते आणि SiC धान्यांमधील संबंध अधिक घट्ट करते. उच्च-तापमान उष्णता उपचारानंतर, SiC सिरेमिकची खोली-तापमान थर्मल चालकता लक्षणीयरीत्या सुधारली गेली आहे.