Hiện nay,cacbua silic (SiC)là vật liệu gốm dẫn nhiệt được tích cực nghiên cứu trong và ngoài nước. Độ dẫn nhiệt lý thuyết của SiC rất cao và một số dạng tinh thể có thể đạt tới 270W/mK, vốn đã dẫn đầu trong số các vật liệu không dẫn điện. Ví dụ, ứng dụng của tính dẫn nhiệt SiC có thể được thấy trong vật liệu nền của thiết bị bán dẫn, vật liệu gốm có tính dẫn nhiệt cao, lò sưởi và tấm gia nhiệt để xử lý chất bán dẫn, vật liệu viên nang cho nhiên liệu hạt nhân và vòng đệm khí cho máy nén khí.
Ứng dụng củacacbua silictrong lĩnh vực bán dẫn
Đĩa mài và thiết bị cố định là thiết bị xử lý quan trọng để sản xuất tấm silicon trong ngành bán dẫn. Nếu đĩa mài được làm bằng gang hoặc thép cacbon thì tuổi thọ của nó ngắn và hệ số giãn nở nhiệt lớn. Trong quá trình xử lý tấm wafer silicon, đặc biệt là trong quá trình mài hoặc đánh bóng tốc độ cao, do đĩa mài bị mài mòn và biến dạng nhiệt nên độ phẳng và độ song song của tấm wafer silicon rất khó đảm bảo. Đĩa mài được làm bằnggốm sứ cacbua siliccó độ mài mòn thấp do độ cứng cao và hệ số giãn nở nhiệt của nó về cơ bản giống như tấm silicon nên có thể được mài và đánh bóng ở tốc độ cao.
Ngoài ra, khi sản xuất tấm silicon, chúng cần phải trải qua quá trình xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao và thường được vận chuyển bằng vật cố định cacbua silic. Chúng có khả năng chịu nhiệt và không phá hủy. Carbon giống kim cương (DLC) và các lớp phủ khác có thể được phủ lên bề mặt để nâng cao hiệu suất, giảm thiểu hư hỏng tấm bán dẫn và ngăn ngừa ô nhiễm lan rộng.
Hơn nữa, là đại diện của vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng thế hệ thứ ba, vật liệu đơn tinh thể silicon cacbua có các đặc tính như độ rộng vùng cấm lớn (gấp khoảng 3 lần so với Si), độ dẫn nhiệt cao (khoảng 3,3 lần so với Si hoặc 10 lần). của GaAs), tốc độ di chuyển bão hòa electron cao (khoảng 2,5 lần so với Si) và điện trường đánh thủng cao (khoảng 10 lần so với Si hoặc 5 lần so với GaAs). Các thiết bị SiC bù đắp những khiếm khuyết của các thiết bị vật liệu bán dẫn truyền thống trong ứng dụng thực tế và đang dần trở thành xu hướng chủ đạo của chất bán dẫn điện.
Nhu cầu về gốm sứ cacbua silic dẫn nhiệt cao đã tăng lên đáng kể
Với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, nhu cầu ứng dụng gốm cacbua silic trong lĩnh vực bán dẫn đã tăng lên đáng kể và độ dẫn nhiệt cao là chỉ số chính cho ứng dụng của nó trong các linh kiện thiết bị sản xuất chất bán dẫn. Vì vậy, việc tăng cường nghiên cứu gốm cacbua silic dẫn nhiệt cao là rất quan trọng. Giảm hàm lượng oxy trong mạng, cải thiện mật độ và điều chỉnh hợp lý sự phân bố pha thứ hai trong mạng là những phương pháp chính để cải thiện tính dẫn nhiệt của gốm silic cacbua.
Hiện nay, ở nước tôi có rất ít nghiên cứu về gốm cacbua silic dẫn nhiệt cao và vẫn còn một khoảng cách lớn so với trình độ thế giới. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm:
●Tăng cường nghiên cứu quy trình chuẩn bị bột gốm cacbua silic. Việc chuẩn bị bột cacbua silic có độ tinh khiết cao, ít oxy là cơ sở để điều chế gốm cacbua silic có tính dẫn nhiệt cao;
● Tăng cường lựa chọn chất hỗ trợ thiêu kết và nghiên cứu lý thuyết liên quan;
●Tăng cường nghiên cứu và phát triển thiết bị thiêu kết cao cấp. Bằng cách điều chỉnh quá trình thiêu kết để có được cấu trúc vi mô hợp lý, điều kiện cần thiết là thu được gốm silicon cacbua dẫn nhiệt cao.
Các biện pháp cải thiện tính dẫn nhiệt của gốm silic cacbua
Chìa khóa để cải thiện tính dẫn nhiệt của gốm SiC là giảm tần số tán xạ phonon và tăng đường tự do trung bình của phonon. Độ dẫn nhiệt của SiC sẽ được cải thiện một cách hiệu quả bằng cách giảm độ xốp và mật độ ranh giới hạt của gốm SiC, cải thiện độ tinh khiết của ranh giới hạt SiC, giảm tạp chất mạng SiC hoặc khuyết tật mạng và tăng chất mang truyền nhiệt trong SiC. Hiện nay, tối ưu hóa loại và hàm lượng chất trợ thiêu kết và xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao là những biện pháp chính để cải thiện tính dẫn nhiệt của gốm SiC.
① Tối ưu hóa loại và hàm lượng chất hỗ trợ thiêu kết
Các chất hỗ trợ thiêu kết khác nhau thường được thêm vào khi chuẩn bị gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao. Trong số đó, loại và hàm lượng chất trợ thiêu kết có ảnh hưởng lớn đến độ dẫn nhiệt của gốm SiC. Ví dụ, các nguyên tố Al hoặc O trong chất trợ thiêu kết của hệ thống Al2O3 dễ dàng bị hòa tan vào mạng SiC, dẫn đến chỗ trống và khuyết tật, dẫn đến tăng tần số tán xạ phonon. Ngoài ra, nếu hàm lượng chất hỗ trợ thiêu kết thấp thì vật liệu khó thiêu kết và cô đặc, trong khi hàm lượng chất hỗ trợ thiêu kết cao sẽ dẫn đến sự gia tăng tạp chất và khuyết tật. Chất hỗ trợ thiêu kết pha lỏng quá mức cũng có thể ức chế sự phát triển của hạt SiC và làm giảm đường đi tự do trung bình của phonon. Do đó, để chế tạo gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao, cần giảm hàm lượng chất trợ thiêu kết càng nhiều càng tốt đồng thời đáp ứng yêu cầu về mật độ thiêu kết và cố gắng chọn chất trợ thiêu kết khó hòa tan trong mạng SiC.
*Tính chất nhiệt của gốm SiC khi thêm các chất trợ thiêu kết khác nhau
Hiện nay, gốm SiC ép nóng thiêu kết với BeO làm chất trợ thiêu kết có độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng tối đa (270W·m-1·K-1). Tuy nhiên, BeO là vật liệu có độc tính cao và gây ung thư nên không phù hợp để ứng dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm hoặc các lĩnh vực công nghiệp. Điểm eutectic thấp nhất của hệ thống Y2O3-Al2O3 là 1760oC, đây là chất hỗ trợ thiêu kết pha lỏng phổ biến cho gốm SiC. Tuy nhiên, do Al3+ dễ dàng hòa tan vào mạng SiC nên khi hệ thống này được sử dụng làm chất hỗ trợ thiêu kết, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của gốm SiC nhỏ hơn 200W·m-1·K-1.
Các nguyên tố đất hiếm như Y, Sm, Sc, Gd và La không dễ hòa tan trong mạng SiC và có ái lực oxy cao, có thể làm giảm hàm lượng oxy trong mạng SiC một cách hiệu quả. Do đó, hệ thống Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) là chất hỗ trợ thiêu kết phổ biến để chế tạo gốm SiC có độ dẫn nhiệt cao (>200W·m-1·K-1). Lấy chất hỗ trợ thiêu kết của hệ thống Y2O3-Sc2O3 làm ví dụ, giá trị độ lệch ion của Y3+ và Si4+ lớn và cả hai đều không trải qua dung dịch rắn. Độ hòa tan của Sc trong SiC nguyên chất ở 1800~2600oC là nhỏ, khoảng (2~3)×1017nguyên tử·cm-3.
② Xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao
Xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao của gốm SiC có lợi cho việc loại bỏ các khuyết tật mạng, sự sai lệch và ứng suất dư, thúc đẩy sự chuyển đổi cấu trúc của một số vật liệu vô định hình thành tinh thể và làm suy yếu hiệu ứng tán xạ phonon. Ngoài ra, xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao có thể thúc đẩy hiệu quả sự phát triển của hạt SiC và cuối cùng là cải thiện tính chất nhiệt của vật liệu. Ví dụ, sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao ở 1950°C, hệ số khuếch tán nhiệt của gốm SiC tăng từ 83,03mm2·s-1 lên 89,50mm2·s-1, và độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng tăng từ 180,94W·m -1·K-1 tới 192,17W·m-1·K-1. Xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao cải thiện hiệu quả khả năng khử oxy của chất trợ thiêu kết trên bề mặt và mạng tinh thể SiC, đồng thời làm cho mối liên kết giữa các hạt SiC chặt chẽ hơn. Sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao, độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng của gốm SiC đã được cải thiện đáng kể.
Thời gian đăng: 24/10/2024