ความต้องการและการใช้งานเซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูงในสาขาเซมิคอนดักเตอร์

ตอนนี้,ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)เป็นวัสดุเซรามิกนำความร้อนที่ได้รับการศึกษาอย่างจริงจังทั้งในประเทศและต่างประเทศ ค่าการนำความร้อนตามทฤษฎีของ SiC นั้นสูงมาก และผลึกบางรูปแบบอาจสูงถึง 270W/mK ซึ่งเป็นผู้นำในกลุ่มวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าอยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น การใช้การนำความร้อน SiC สามารถดูได้ในวัสดุซับสเตรตของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ วัสดุเซรามิกการนำความร้อนสูง เครื่องทำความร้อนและแผ่นทำความร้อนสำหรับการแปรรูปเซมิคอนดักเตอร์ วัสดุแคปซูลสำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ และวงแหวนปิดผนึกก๊าซสำหรับปั๊มคอมเพรสเซอร์

การประยุกต์ใช้ของซิลิคอนคาร์ไบด์ในด้านเซมิคอนดักเตอร์
แผ่นเจียรและอุปกรณ์จับยึดเป็นอุปกรณ์ในกระบวนการที่สำคัญสำหรับการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ หากแผ่นเจียรทำจากเหล็กหล่อหรือเหล็กกล้าคาร์บอน อายุการใช้งานจะสั้นและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนจะมีมาก ในระหว่างการประมวลผลเวเฟอร์ซิลิคอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการบดหรือการขัดด้วยความเร็วสูง เนื่องจากการสึกหรอและการเสียรูปเนื่องจากความร้อนของแผ่นเจียร ความเรียบและความขนานของเวเฟอร์ซิลิกอนจึงเป็นเรื่องยากที่จะรับประกัน ใบเจียรทำจากเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีการสึกหรอต่ำเนื่องจากมีความแข็งสูง และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับของเวเฟอร์ซิลิคอน จึงสามารถกราวด์และขัดเงาด้วยความเร็วสูงได้

นอกจากนี้ เมื่อมีการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอน จะต้องผ่านการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง และมักขนส่งโดยใช้ฟิกซ์เจอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ ทนความร้อนและไม่ทำลาย คาร์บอนคล้ายเพชร (DLC) และการเคลือบอื่นๆ สามารถใช้บนพื้นผิวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ลดความเสียหายของแผ่นเวเฟอร์ และป้องกันการปนเปื้อนไม่ให้แพร่กระจาย

นอกจากนี้ ในฐานะตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แถบความถี่กว้างรุ่นที่สาม วัสดุผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความกว้างของแถบความถี่ขนาดใหญ่ (ประมาณ 3 เท่าของ Si) ค่าการนำความร้อนสูง (ประมาณ 3.3 เท่าของ Si หรือ 10 เท่า ของ GaAs) อัตราการอพยพของความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูง (ประมาณ 2.5 เท่าของ Si) และสนามไฟฟ้าสลายสูง (ประมาณ 10 เท่าของ Si หรือ 5 เท่าของ GaAs) อุปกรณ์ SiC สร้างขึ้นจากข้อบกพร่องของอุปกรณ์วัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมในการใช้งานจริง และค่อยๆ กลายเป็นกระแสหลักของเซมิคอนดักเตอร์กำลัง

ความต้องการเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์การนำความร้อนสูงได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก
ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ความต้องการใช้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ในสาขาเซมิคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้นอย่างมาก และการนำความร้อนสูงเป็นตัวบ่งชี้สำคัญสำหรับการใช้งานในส่วนประกอบอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเสริมสร้างการวิจัยเกี่ยวกับเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง การลดปริมาณออกซิเจนของแลตทิซ การปรับปรุงความหนาแน่น และการควบคุมการกระจายตัวของเฟสที่สองในแลตทิซอย่างสมเหตุสมผลเป็นวิธีการหลักในการปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

ปัจจุบัน มีการศึกษาเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์การนำความร้อนสูงในประเทศของฉัน และยังคงมีช่องว่างขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับระดับโลก ทิศทางการวิจัยในอนาคต ได้แก่ :
●เสริมสร้างการวิจัยกระบวนการเตรียมผงเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ การเตรียมผงซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีออกซิเจนต่ำเป็นพื้นฐานสำหรับการเตรียมเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง
● เสริมสร้างการเลือกตัวช่วยการเผาผนึกและการวิจัยทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง
●เสริมสร้างการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์การเผาผนึกคุณภาพสูง ด้วยการควบคุมกระบวนการเผาผนึกเพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคที่เหมาะสม จึงเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นในการได้รับเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง
มาตรการปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์
กุญแจสำคัญในการปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิก SiC คือการลดความถี่ของการกระเจิงของโฟนอน และเพิ่มเส้นทางอิสระของโฟนอน ค่าการนำความร้อนของ SiC จะได้รับการปรับปรุงอย่างมีประสิทธิภาพโดยการลดความพรุนและความหนาแน่นของขอบเขตเกรนของเซรามิก SiC ปรับปรุงความบริสุทธิ์ของขอบเขตเกรน SiC ลดสิ่งเจือปนในโครงตาข่าย SiC หรือข้อบกพร่องของโครงตาข่าย และเพิ่มตัวพาการส่งผ่านความร้อนใน SiC ในปัจจุบัน การปรับประเภทและเนื้อหาของสารช่วยเผาผนึกและการบำบัดความร้อนที่อุณหภูมิสูงให้เหมาะสมเป็นมาตรการหลักในการปรับปรุงการนำความร้อนของเซรามิก SiC

1 การปรับประเภทและเนื้อหาของตัวช่วยเผาผนึกให้เหมาะสม

มักจะเติมสารช่วยเผาผนึกหลายชนิดเมื่อเตรียมเซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูง ประเภทและเนื้อหาของสารช่วยเผาผนึกมีอิทธิพลอย่างมากต่อการนำความร้อนของเซรามิก SiC ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบ Al หรือ O ในตัวช่วยในการเผาผนึกของระบบ Al2O3 จะถูกละลายลงในโครงตาข่าย SiC ได้อย่างง่ายดาย ส่งผลให้เกิดตำแหน่งว่างและข้อบกพร่อง ซึ่งส่งผลให้ความถี่ในการกระเจิงของโฟนอนเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ หากปริมาณสารช่วยเผาผนึกต่ำ วัสดุก็ยากต่อการเผาและทำให้หนาแน่น ในขณะที่ปริมาณสารช่วยเผาผนึกในปริมาณมากจะทำให้มีสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องเพิ่มขึ้น สารช่วยเผาผนึกในเฟสของเหลวที่มากเกินไปอาจยับยั้งการเจริญเติบโตของเมล็ด SiC และลดเส้นทางอิสระของโฟนันส์ ดังนั้น เพื่อเตรียมเซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูง จำเป็นต้องลดปริมาณของตัวช่วยในการเผาผนึกให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะเดียวกันก็เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความหนาแน่นของการเผาผนึก และพยายามเลือกตัวช่วยเผาผนึกที่ละลายในตะแกรง SiC ได้ยาก

*คุณสมบัติทางความร้อนของเซรามิก SiC เมื่อมีการเติมตัวช่วยในการเผาผนึกที่แตกต่างกัน

ในปัจจุบัน เซรามิก SiC แบบรีดร้อนที่เผาด้วย BeO เป็นตัวช่วยในการเผาผนึกมีค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องสูงสุด (270W·m-1·K-1) อย่างไรก็ตาม BeO เป็นวัสดุที่มีพิษสูงและเป็นสารก่อมะเร็ง และไม่เหมาะสำหรับการใช้งานอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการหรือสาขาอุตสาหกรรม จุดยูเทคติกต่ำสุดของระบบ Y2O3-Al2O3 คือ 1760°C ซึ่งเป็นตัวช่วยเผาผนึกในเฟสของเหลวทั่วไปสำหรับเซรามิก SiC อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก Al3+ ละลายลงในโครงตาข่าย SiC ได้ง่าย เมื่อใช้ระบบนี้เป็นตัวช่วยในการเผาผนึก ค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องของเซรามิก SiC จะน้อยกว่า 200W·m-1·K-1

ธาตุหายาก เช่น Y, Sm, Sc, Gd และ La ไม่สามารถละลายได้ง่ายในโครงตาข่าย SiC และมีสัมพรรคภาพออกซิเจนสูง ซึ่งสามารถลดปริมาณออกซิเจนของโครงตาข่าย SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ระบบ Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) จึงเป็นตัวช่วยในการเผาผนึกทั่วไปสำหรับการเตรียมเซรามิก SiC ที่มีค่าการนำความร้อนสูง (>200W·m-1·K-1) เมื่อใช้ตัวช่วยในการเผาผนึกระบบ Y2O3-Sc2O3 เป็นตัวอย่าง ค่าเบี่ยงเบนไอออนของ Y3+ และ Si4+ มีค่าสูง และทั้งสองค่าไม่ได้ผ่านสารละลายที่เป็นของแข็ง ความสามารถในการละลายของ Sc ใน SiC บริสุทธิ์ที่ 1800~2600℃ นั้นมีน้อย ประมาณ (2~3)×1,017อะตอม·ซม.-3

treatment การรักษาความร้อนที่อุณหภูมิสูง

การอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงของเซรามิก SiC เอื้อต่อการขจัดข้อบกพร่องของโครงตาข่าย การเคลื่อนตัว และความเค้นตกค้าง ส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุอสัณฐานบางชนิดไปเป็นผลึก และลดผลการกระเจิงของโฟนอนให้อ่อนลง นอกจากนี้ การอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงสามารถส่งเสริมการเจริญเติบโตของเมล็ด SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุในท้ายที่สุด ตัวอย่างเช่น หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงที่ 1950°C ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อนของเซรามิก SiC เพิ่มขึ้นจาก 83.03mm2·s-1 เป็น 89.50mm2·s-1 และค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องเพิ่มขึ้นจาก 180.94W·m -1·K-1 ถึง 192.17W·m-1·K-1 การอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงช่วยเพิ่มความสามารถในการดีออกซิเดชันของตัวช่วยในการเผาผนึกบนพื้นผิว SiC และโครงตาข่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้การเชื่อมต่อระหว่างเม็ด SiC แน่นแฟ้นยิ่งขึ้น หลังจากการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง ค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องของเซรามิก SiC ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ