අර්ධ සන්නායක ක්ෂේත්රයේ ඉහළ තාප සන්නායකතාවය SiC සෙරමික් ඉල්ලුම සහ යෙදීම

දැනට,සිලිකන් කාබයිඩ් (SiC)දේශීය හා විදේශයන්හි ක්රියාකාරීව අධ්යයනය කරන තාප සන්නායක සෙරමික් ද්රව්ය වේ. SiC හි න්‍යායාත්මක තාප සන්නායකතාවය ඉතා ඉහළ වන අතර, සමහර ස්ඵටික ආකාර 270W/mK වෙත ළඟා විය හැක, එය දැනටමත් සන්නායක නොවන ද්රව්ය අතර ප්රමුඛයා වේ. උදාහරණයක් ලෙස, SiC තාප සන්නායකතාවය යෙදීම අර්ධ සන්නායක උපාංගවල උපස්ථර ද්‍රව්‍ය, ඉහළ තාප සන්නායකතා සෙරමික් ද්‍රව්‍ය, අර්ධ සන්නායක සැකසුම් සඳහා හීටර් සහ තාපන තහඩු, න්‍යෂ්ටික ඉන්ධන සඳහා කැප්සියුල ද්‍රව්‍ය සහ සම්පීඩක පොම්ප සඳහා ගෑස් මුද්‍රා තැබීමේ වළලු තුළ දැකිය හැකිය.

අයදුම් කිරීමසිලිකන් කාබයිඩ්අර්ධ සන්නායක ක්ෂේත්රයේ
අර්ධ සන්නායක කර්මාන්තයේ සිලිකන් වේෆර් නිෂ්පාදනය සඳහා ඇඹරුම් තැටි සහ සවිකිරීම් වැදගත් ක්රියාවලි උපකරණ වේ. ඇඹරුම් තැටිය වාත්තු යකඩ හෝ කාබන් වානේ වලින් සාදා ඇත්නම්, එහි සේවා කාලය කෙටි වන අතර එහි තාප ප්රසාරණ සංගුණකය විශාල වේ. සිලිකන් වේෆර් සැකසීමේදී, විශේෂයෙන්ම අධිවේගී ඇඹරුම් හෝ ඔප දැමීමේදී, ඇඹරුම් තැටියේ ඇඳීම් සහ තාප විරූපණය හේතුවෙන්, සිලිකන් වේෆරයේ පැතලි බව සහ සමාන්තර බව සහතික කිරීම අපහසු වේ. සෑදූ ඇඹරුම් තැටියසිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික්එහි ඉහළ දෘඪතාව නිසා අඩු ඇඳුමක් ඇති අතර, එහි තාප ප්‍රසාරණ සංගුණකය මූලික වශයෙන් සිලිකන් වේෆර්වලට සමාන වේ, එබැවින් එය අධික වේගයෙන් ඇඹරීමට සහ ඔප දැමිය හැකිය.

මීට අමතරව, සිලිකන් වේෆර් නිපදවන විට, ඒවා ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීමට අවශ්ය වන අතර බොහෝ විට සිලිකන් කාබයිඩ් සවි කිරීම් භාවිතයෙන් ප්රවාහනය කරනු ලැබේ. ඒවා තාප ප්රතිරෝධී සහ විනාශකාරී නොවේ. දියමන්ති වැනි කාබන් (DLC) සහ අනෙකුත් ආලේපන කාර්ය සාධනය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා මතුපිටට යෙදිය හැකිය, වේෆර් හානිය අවම කිරීම සහ දූෂණය පැතිරීම වැළැක්වීම.

තවද, තුන්වන පරම්පරාවේ පුළුල් කලාප ගැප් අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යවල නියෝජිතයෙකු ලෙස, සිලිකන් කාබයිඩ් තනි ස්ඵටික ද්‍රව්‍යවල විශාල කලාප පළල (Si මෙන් 3 ගුණයක් පමණ), ඉහළ තාප සන්නායකතාව (Si මෙන් 3.3 ගුණයක් හෝ 10 ගුණයක් පමණ) වැනි ගුණ ඇත. එම GaAs), ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝන සන්තෘප්ත සංක්‍රමණ අනුපාතය (Si මෙන් 2.5 ගුණයක් පමණ) සහ ඉහළ බිඳවැටීමේ විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය (පමණක් පමණ) Si මෙන් 10 ගුණයක් හෝ GaAs මෙන් 5 ගුණයක්). SiC උපාංග ප්‍රායෝගික යෙදුම්වල සාම්ප්‍රදායික අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍ය උපාංගවල දෝෂ සඳහා වන අතර ක්‍රමයෙන් බල අර්ධ සන්නායකවල ප්‍රධාන ධාරාව බවට පත්වේ.

ඉහළ තාප සන්නායකතාවයකින් යුත් සිලිකන් කාබයිඩ් පිඟන් මැටි සඳහා ඇති ඉල්ලුම නාටකාකාර ලෙස ඉහළ ගොස් ඇත
විද්‍යාව හා තාක්‍ෂණයේ අඛණ්ඩ වර්ධනයත් සමඟ අර්ධ සන්නායක ක්ෂේත්‍රයේ සිලිකන් කාබයිඩ් පිඟන් මැටි යෙදීම සඳහා ඇති ඉල්ලුම නාටකාකාර ලෙස ඉහළ ගොස් ඇති අතර අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදන උපකරණ සංරචක සඳහා එහි යෙදුම සඳහා ඉහළ තාප සන්නායකතාවය ප්‍රධාන දර්ශකයකි. එබැවින්, ඉහළ තාප සන්නායකතා සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් පිළිබඳ පර්යේෂණ ශක්තිමත් කිරීම ඉතා වැදගත් වේ. දැලිස් ඔක්සිජන් අන්තර්ගතය අඩු කිරීම, ඝනත්වය වැඩි දියුණු කිරීම සහ දැලිස් වල දෙවන අදියර බෙදා හැරීම සාධාරණ ලෙස නියාමනය කිරීම සිලිකන් කාබයිඩ් පිඟන් මැටිවල තාප සන්නායකතාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා ප්රධාන ක්රම වේ.

වර්තමානයේ, මගේ රටෙහි ඉහළ තාප සන්නායකතා සිලිකන් කාබයිඩ් පිඟන් මැටි පිළිබඳ අධ්යයන කිහිපයක් ඇති අතර, ලෝක මට්ටමට සාපේක්ෂව විශාල පරතරයක් තවමත් පවතී. අනාගත පර්යේෂණ දිශාවන් ඇතුළත් වේ:
●සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් කුඩු සකස් කිරීමේ ක්‍රියාවලි පර්යේෂණ ශක්තිමත් කිරීම. ඉහළ සංශුද්ධතාවය, අඩු ඔක්සිජන් සිලිකන් කාබයිඩ් කුඩු සකස් කිරීම ඉහළ තාප සන්නායකතා සිලිකන් කාබයිඩ් පිඟන් මැටි සකස් කිරීම සඳහා පදනම වේ;
● සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක තෝරාගැනීම සහ අදාළ න්‍යායාත්මක පර්යේෂණ ශක්තිමත් කිරීම;
●ඉහළ මට්ටමේ සින්ටර් කිරීමේ උපකරණ පර්යේෂණ සහ සංවර්ධනය ශක්තිමත් කිරීම. සාධාරණ ක්ෂුද්‍ර ව්‍යුහයක් ලබා ගැනීම සඳහා සින්ටර් කිරීමේ ක්‍රියාවලිය නියාමනය කිරීමෙන්, ඉහළ තාප සන්නායකතාවයකින් යුත් සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් ලබා ගැනීම අවශ්‍ය කොන්දේසියකි.
සිලිකන් කාබයිඩ් සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා පියවර
SiC පිඟන් මැටිවල තාප සන්නායකතාව වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා යතුර වන්නේ ෆොනෝන් විසිරුම් සංඛ්යාතය අඩු කිරීම සහ ෆොනෝන් මධ්යන්ය නිදහස් මාර්ගය වැඩි කිරීමයි. SiC පිඟන් මැටිවල සිදුරු සහ ධාන්‍ය මායිම් ඝනත්වය අඩු කිරීම, SiC ධාන්ය මායිම්වල සංශුද්ධතාවය වැඩිදියුණු කිරීම, SiC දැලිස් අපද්‍රව්‍ය හෝ දැලිස් දෝෂ අඩු කිරීම සහ SiC හි තාප ප්‍රවාහ සම්ප්‍රේෂණ වාහකය වැඩි කිරීම මගින් SiC හි තාප සන්නායකතාවය ඵලදායී ලෙස වැඩිදියුණු කරනු ඇත. වර්තමානයේ, SiC සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා ප්රධාන පියවර වන්නේ සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීමෙහි වර්ගය සහ අන්තර්ගතය ප්රශස්ත කිරීමයි.

① සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක වර්ගය සහ අන්තර්ගතය ප්‍රශස්ත කිරීම

ඉහළ තාප සන්නායකතා SiC පිඟන් මැටි සකස් කිරීමේදී විවිධ සින්ටර් කිරීමේ ආධාර බොහෝ විට එකතු වේ. ඒවා අතර, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක වර්ගය සහ අන්තර්ගතය SiC සෙරමික් වල තාප සන්නායකතාවයට විශාල බලපෑමක් ඇති කරයි. උදාහරණයක් ලෙස, Al2O3 පද්ධතියේ සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල Al හෝ O මූලද්‍රව්‍ය SiC දැලිස් වලට පහසුවෙන් දියවී යන අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස පුරප්පාඩු සහ දෝෂ ඇති වන අතර එමඟින් phonon විසිරුම් සංඛ්‍යාතය වැඩි වේ. මීට අමතරව, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල අන්තර්ගතය අඩු නම්, ද්රව්යය සින්ටර් සහ ඝනත්වයට අපහසු වන අතර, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකවල ඉහළ අන්තර්ගතය අපිරිසිදු හා දෝෂ වැඩි වීමට හේතු වේ. අධික ද්‍රව අදියර සින්ටර් කිරීමේ ආධාර SiC ධාන්යවල වර්ධනයට බාධා කරන අතර ෆොනෝනවල මධ්‍යන්‍ය නිදහස් මාර්ගය අඩු කරයි. එබැවින්, ඉහළ තාප සන්නායකතාවය SiC සෙරමික් සකස් කිරීම සඳහා, සින්ටර් ඝණත්වයේ අවශ්යතා සපුරාලන අතරම, හැකිතාක් සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක අන්තර්ගතය අඩු කිරීම අවශ්ය වන අතර, SiC දැලිස් තුළ විසුරුවා හැරීමට අපහසු වන සින්ටර් කිරීමේ ආධාරක තෝරා ගැනීමට උත්සාහ කරන්න.

*විවිධ සින්ටර් කිරීමේ ආධාර එකතු කරන විට SiC සෙරමික් වල තාප ගුණ

දැනට, සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයක් ලෙස BeO සමඟ සින්ටර් කරන ලද උණුසුම්-පීඩිත SiC පිඟන් මැටි උපරිම කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාව (270W·m-1·K-1) ඇත. කෙසේ වෙතත්, BeO ඉතා විෂ සහිත ද්රව්යයක් සහ පිළිකා කාරකයක් වන අතර, රසායනාගාරවල හෝ කාර්මික ක්ෂේත්රවල පුලුල්ව පැතිරීම සඳහා සුදුසු නොවේ. Y2O3-Al2O3 පද්ධතියේ පහළම යුටෙක්ටික් ලක්ෂ්‍යය 1760℃ වේ, එය SiC පිඟන් මැටි සඳහා පොදු ද්‍රව-අදියර සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයකි. කෙසේ වෙතත්, Al3+ පහසුවෙන් SiC දැලිස් තුළට විසුරුවා හරින බැවින්, මෙම පද්ධතිය සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයක් ලෙස භාවිතා කරන විට, SiC සෙරමික් වල කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාවය 200W·m-1·K-1 ට වඩා අඩුය.

Y, Sm, Sc, Gd සහ La වැනි දුර්ලභ පෘථිවි මූලද්‍රව්‍ය SiC දැලිස් වල පහසුවෙන් ද්‍රාව්‍ය නොවන අතර ඉහළ ඔක්සිජන් සම්බන්ධතාවයක් ඇති අතර එමඟින් SiC දැලිස් වල ඔක්සිජන් ප්‍රමාණය ඵලදායී ලෙස අඩු කළ හැකිය. එබැවින්, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) පද්ධතිය යනු ඉහළ තාප සන්නායකතාවය (>200W·m-1·K-1) SiC පිඟන් භාණ්ඩ සැකසීම සඳහා පොදු සින්ටර් කිරීමේ ආධාරකයකි. Y2O3-Sc2O3 පද්ධති සින්ටර් කිරීමේ ආධාරය උදාහරණයක් ලෙස ගතහොත්, Y3+ සහ Si4+ හි අයන අපගමන අගය විශාල වන අතර, එම දෙක ඝන ද්‍රාවණයට ලක් නොවේ. 1800~2600℃ හි පිරිසිදු SiC හි Sc හි ද්‍රාව්‍යතාව කුඩා වේ, (2~3)×1017atoms·cm-3 පමණ වේ.

② අධික උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම

SiC පිඟන් මැටිවල අධික උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම දැලිස් දෝෂ, විස්ථාපනය සහ අවශේෂ ආතතීන් ඉවත් කිරීම, සමහර අස්ඵටික ද්‍රව්‍ය ස්ඵටික බවට ව්‍යුහාත්මක පරිවර්තනය ප්‍රවර්ධනය කිරීම සහ ෆොනොන් විසිරීමේ බලපෑම දුර්වල කිරීම සඳහා හිතකර වේ. මීට අමතරව, අධි-උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම මගින් SiC ධාන්යවල වර්ධනය ඵලදායී ලෙස ප්රවර්ධනය කළ හැකි අතර, අවසානයේ ද්රව්යයේ තාප ගුණ වැඩි දියුණු කළ හැකිය. උදාහරණයක් ලෙස, 1950°C දී ඉහළ-උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීමෙන් පසුව, SiC සෙරමික් වල තාප විසරණ සංගුණකය 83.03mm2·s-1 සිට 89.50mm2·s-1 දක්වා වැඩි වූ අතර කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාවය 180.94W·m සිට වැඩි විය. -1·K-1 සිට 192.17W·m-1·K-1 දක්වා. අධි-උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීම SiC මතුපිට සහ දැලිස් මත සින්ටර් කිරීමේ ආධාරයේ ඩයොක්සිකරණ හැකියාව ඵලදායී ලෙස වැඩි දියුණු කරයි, සහ SiC ධාන්ය අතර සම්බන්ධය දැඩි කරයි. ඉහළ උෂ්ණත්ව තාප පිරියම් කිරීමෙන් පසුව, SiC සෙරමික් වල කාමර-උෂ්ණත්ව තාප සන්නායකතාවය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කර ඇත.