В настоящее время,карбид кремния (SiC)— теплопроводный керамический материал, активно изучаемый в стране и за рубежом. Теоретическая теплопроводность SiC очень высока, а некоторые кристаллические формы могут достигать 270 Вт/мК, что уже является лидером среди непроводящих материалов. Например, применение теплопроводности SiC можно увидеть в материалах подложек полупроводниковых приборов, керамических материалах с высокой теплопроводностью, нагревателях и нагревательных пластинах для обработки полупроводников, материалах капсул для ядерного топлива и газовых уплотнительных кольцах для компрессорных насосов.
Применениекарбид кремнияв области полупроводников
Шлифовальные диски и приспособления являются важным технологическим оборудованием для производства кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности. Если шлифовальный диск изготовлен из чугуна или углеродистой стали, срок его службы будет коротким, а коэффициент теплового расширения большим. При обработке кремниевых пластин, особенно при высокоскоростном шлифовании или полировании, из-за износа и термической деформации шлифовального диска трудно гарантировать плоскостность и параллельность кремниевой пластины. Шлифовальный диск изготовлен изкарбидокремниевая керамикаимеет низкий износ благодаря высокой твердости, а коэффициент теплового расширения практически такой же, как у кремниевых пластин, поэтому его можно шлифовать и полировать на высокой скорости.
Кроме того, при производстве кремниевых пластин они должны подвергаться высокотемпературной термообработке и часто транспортируются с использованием приспособлений из карбида кремния. Они термостойкие и неразрушающие. На поверхность можно нанести алмазоподобный углерод (DLC) и другие покрытия для повышения производительности, уменьшения повреждения пластин и предотвращения распространения загрязнений.
Кроме того, как представитель широкозонных полупроводниковых материалов третьего поколения, монокристаллические материалы карбида кремния обладают такими свойствами, как большая ширина запрещенной зоны (примерно в 3 раза больше, чем у Si), высокая теплопроводность (примерно в 3,3 раза больше, чем у Si или в 10 раз больше, чем у Si). чем у GaAs), высокая скорость миграции электронов (примерно в 2,5 раза больше, чем у Si) и сильное электрическое поле пробоя (примерно в 10 раз больше, чем у Si или в 5 раз больше, чем у GaAs). Устройства SiC компенсируют недостатки традиционных устройств из полупроводниковых материалов в практическом применении и постепенно становятся основным направлением силовых полупроводников.
Спрос на керамику из карбида кремния с высокой теплопроводностью резко возрос.
С непрерывным развитием науки и техники спрос на применение керамики из карбида кремния в области полупроводников резко возрос, а высокая теплопроводность является ключевым показателем для ее применения в компонентах оборудования для производства полупроводников. Поэтому крайне важно усилить исследования керамики из карбида кремния с высокой теплопроводностью. Снижение содержания решеточного кислорода, повышение плотности и разумное регулирование распределения второй фазы в решетке являются основными методами улучшения теплопроводности карбидокремниевой керамики.
В настоящее время в моей стране мало исследований по керамике из карбида кремния с высокой теплопроводностью, и по-прежнему существует большой разрыв по сравнению с мировым уровнем. Будущие направления исследований включают в себя:
●Усиление процесса подготовки керамического порошка карбида кремния. Получение порошка карбида кремния высокой чистоты с низким содержанием кислорода является основой получения керамики из карбида кремния с высокой теплопроводностью;
● Улучшить выбор вспомогательных средств для спекания и соответствующие теоретические исследования;
●Усиление исследований и разработок высококачественного агломерационного оборудования. Регулирование процесса спекания для получения разумной микроструктуры является необходимым условием для получения керамики из карбида кремния с высокой теплопроводностью.
Мероприятия по повышению теплопроводности карбидокремниевой керамики
Ключом к улучшению теплопроводности керамики SiC является уменьшение частоты рассеяния фононов и увеличение длины свободного пробега фононов. Теплопроводность SiC будет эффективно улучшена за счет уменьшения пористости и плотности границ зерен керамики SiC, улучшения чистоты границ зерен SiC, уменьшения примесей или дефектов решетки SiC, а также увеличения переносчика теплового потока в SiC. В настоящее время основными мерами по улучшению теплопроводности SiC-керамики являются оптимизация типа и содержания спекающих добавок и высокотемпературная термообработка.
① Оптимизация типа и содержания вспомогательных средств для спекания.
При изготовлении SiC-керамики с высокой теплопроводностью часто добавляют различные добавки для спекания. Среди них тип и содержание добавок для спекания оказывают большое влияние на теплопроводность керамики SiC. Например, элементы Al или O в спекающих добавках системы Al2O3 легко растворяются в решетке SiC, что приводит к образованию вакансий и дефектов, что приводит к увеличению частоты рассеяния фононов. Кроме того, при низком содержании спекающих добавок материал трудно спекать и уплотнять, а высокое содержание спекающих добавок приведет к увеличению примесей и дефектов. Чрезмерное использование жидкофазных добавок для спекания также может препятствовать росту зерен SiC и уменьшать длину свободного пробега фононов. Поэтому для получения керамики SiC с высокой теплопроводностью необходимо максимально снизить содержание спекающих добавок при соблюдении требований плотности спекания и стараться выбирать спекающие добавки, которые трудно растворяются в решетке SiC.
*Термические свойства SiC-керамики при добавлении различных спекающих добавок.
В настоящее время керамика SiC горячего прессования, спеченная с BeO в качестве спекающей добавки, имеет максимальную теплопроводность при комнатной температуре (270 Вт·м-1·К-1). Однако BeO является высокотоксичным и канцерогенным материалом и не пригоден для широкого применения в лабораториях или промышленности. Самая низкая эвтектическая точка системы Y2O3-Al2O3 составляет 1760 ℃, что является обычной добавкой жидкофазного спекания для керамики SiC. Однако, поскольку Al3+ легко растворяется в решетке SiC, при использовании этой системы в качестве спекающей добавки теплопроводность керамики SiC при комнатной температуре составляет менее 200 Вт·м-1·К-1.
Редкоземельные элементы, такие как Y, Sm, Sc, Gd и La, плохо растворимы в решетке SiC и имеют высокое сродство к кислороду, что может эффективно снизить содержание кислорода в решетке SiC. Таким образом, система Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) является обычной спекающей добавкой для получения SiC-керамики с высокой теплопроводностью (>200 Вт·м-1·К-1). Если взять в качестве примера вспомогательное средство для спекания системы Y2O3-Sc2O3, то значение ионного отклонения Y3+ и Si4+ велико, и они не подвергаются твердому раствору. Растворимость Sc в чистом SiC при 1800~2600℃ невелика, около (2~3)×1017 атомов·см-3.
② Высокотемпературная термообработка
Высокотемпературная термообработка керамики SiC способствует устранению дефектов решетки, дислокаций и остаточных напряжений, способствует структурному превращению некоторых аморфных материалов в кристаллы и ослабляет эффект рассеяния фононов. Кроме того, высокотемпературная термообработка может эффективно способствовать росту зерен SiC и в конечном итоге улучшить термические свойства материала. Например, после высокотемпературной термообработки при 1950°C коэффициент термодиффузии SiC-керамики увеличился с 83,03 мм2·с-1 до 89,50 мм2·с-1, а теплопроводность при комнатной температуре увеличилась со 180,94 Вт·м. от -1·К-1 до 192,17 Вт·м-1·К-1. Высокотемпературная термообработка эффективно улучшает раскисляющую способность спекающей добавки на поверхности и решетке SiC, а также делает соединение между зернами SiC более прочным. После высокотемпературной термообработки теплопроводность керамики SiC при комнатной температуре значительно улучшилась.
Время публикации: 24 октября 2024 г.