Perché c'è una crescente domanda di ceramiche SiC ad alta conduttività termica nel settore dei semiconduttori?

Attualmente,carburo di silicio (SiC)è un'area molto attiva di ricerca sui materiali ceramici termoconduttivi sia a livello nazionale che internazionale. Con una conducibilità termica teorica che può arrivare fino a 270 W/mK per alcuni tipi di cristalli,SiCè tra i top performer nel campo dei materiali non conduttivi. Le sue applicazioni spaziano su substrati di dispositivi semiconduttori, materiali ceramici ad alta conduttività termica, riscaldatori e piastre riscaldanti nella lavorazione dei semiconduttori, materiali per capsule per combustibile nucleare e guarnizioni ermetiche nelle pompe dei compressori.

Come va?Carburo di silicioApplicato nell'industria dei semiconduttori?

Le piastre e gli accessori di macinazione sono apparecchiature di processo essenziali nella produzione di wafer di silicio nell'industria dei semiconduttori. Se le piastre di macinazione sono realizzate in ghisa o acciaio al carbonio, tendono ad avere una durata breve e un elevato coefficiente di dilatazione termica. Durante la lavorazione dei wafer di silicio, in particolare durante la rettifica o la lucidatura ad alta velocità, l'usura e la deformazione termica di queste piastre di macinazione rendono difficile mantenere la planarità e il parallelismo dei wafer di silicio. Tuttavia, le piastre di macinazione realizzate in ceramica al carburo di silicio presentano elevata durezza e bassa usura, con un coefficiente di dilatazione termica che si avvicina molto a quello dei wafer di silicio, consentendo la macinazione e la lucidatura ad alta velocità.

Inoltre, durante la produzione di wafer di silicio, è richiesto un trattamento termico ad alta temperatura, spesso utilizzando dispositivi di carburo di silicio per il trasporto. Questi dispositivi sono resistenti al calore e ai danni e possono essere rivestiti con carbonio simile al diamante (DLC) per migliorare le prestazioni, mitigare i danni ai wafer e prevenire la diffusione della contaminazione. Inoltre, in quanto rappresentanti dei materiali semiconduttori a banda proibita di terza generazione, i singoli cristalli di carburo di silicio possiedono proprietà come un'ampia banda proibita (circa tre volte quella del silicio), elevata conduttività termica (circa 3,3 volte quella del silicio o 10 volte quella del silicio). di GaAs), un'elevata velocità di saturazione degli elettroni (circa 2,5 volte quella del silicio) e un campo elettrico ad elevata degradazione (circa 10 volte quello del silicio o cinque volte quello del GaAs). I dispositivi in ​​carburo di silicio compensano le carenze dei tradizionali dispositivi in ​​materiale semiconduttore nelle applicazioni pratiche e stanno gradualmente diventando mainstream nei semiconduttori di potenza.

Perché la richiesta di conduttività termica elevataCeramica SiCIn aumento?

Con i continui progressi tecnologici, la domanda diceramiche al carburo di silicionel settore dei semiconduttori è in rapida crescita. L'elevata conduttività termica è un indicatore fondamentale per la loro applicazione nei componenti di apparecchiature per la produzione di semiconduttori, rendendo la ricerca sull'elevata conduttività termicaCeramica SiCcruciale. La riduzione del contenuto di ossigeno nel reticolo, l'aumento della densità e il controllo razionale della distribuzione della seconda fase nel reticolo sono metodi primari per migliorare la conduttività termica diceramiche al carburo di silicio.

Attualmente, la ricerca sull'alta conduttività termicaCeramica SiCin Cina è limitato e resta notevolmente indietro rispetto agli standard globali. Le direzioni future della ricerca includono:

Rafforzare la ricerca sul processo di preparazioneCeramica SiCpolveri, poiché la preparazione di polvere SiC ad elevata purezza e a basso contenuto di ossigeno è fondamentale per ottenere un'elevata conduttività termicaCeramica SiC.

Migliorare la selezione e la ricerca teorica degli ausili per la sinterizzazione.

Sviluppare apparecchiature di sinterizzazione di fascia alta, poiché la regolamentazione del processo di sinterizzazione per ottenere una microstruttura ragionevole è essenziale per acquisire un'elevata conduttività termicaCeramica SiC.

Quali misure possono migliorare la conduttività termica diCeramica SiC?

La chiave per migliorare la conduttività termica delCeramica SiCè quello di ridurre la frequenza di diffusione dei fononi e aumentare il percorso libero medio dei fononi. Ciò può essere ottenuto efficacemente riducendo la porosità e la densità dei bordi dei graniCeramica SiC, migliorando la purezza dei bordi dei grani del SiC, minimizzando le impurità o i difetti nel reticolo del SiC e aumentando i vettori di trasporto termico nel SiC. Attualmente, l’ottimizzazione del tipo e del contenuto degli ausili di sinterizzazione e il trattamento termico ad alta temperatura sono le misure principali per migliorare la conduttività termica dei materiali.Ceramica SiC.

Ottimizzazione del tipo e del contenuto degli ausili per la sinterizzazione

Durante la preparazione di materiali ad alta conduttività termica vengono spesso aggiunti vari ausiliari di sinterizzazioneCeramica SiC. Il tipo e il contenuto di questi coadiuvanti di sinterizzazione influiscono notevolmente sulla conduttività termica delCeramica SiC. Ad esempio, elementi come Al o O negli ausili di sinterizzazione del sistema Al2O3 possono facilmente dissolversi nel reticolo SiC, creando posti vacanti e difetti, aumentando così la frequenza di diffusione dei fononi. Inoltre, se il contenuto di coadiuvante di sinterizzazione è troppo basso, il materiale potrebbe non densificarsi durante la sinterizzazione, mentre un contenuto elevato di coadiuvante di sinterizzazione può portare ad un aumento delle impurità e dei difetti. Un numero eccessivo di ausiliari di sinterizzazione in fase liquida potrebbe anche inibire la crescita del grano di SiC, riducendo il percorso libero medio dei fononi. Pertanto, per ottenere un'elevata conduttività termicaCeramica SiC, è necessario ridurre al minimo il contenuto di coadiuvanti di sinterizzazione garantendo al tempo stesso la densificazione e selezionare coadiuvanti di sinterizzazione che non siano facilmente solubili nel reticolo SiC.

Attualmente pressato a caldoCeramica SiCutilizzando BeO come ausilio per la sinterizzazione mostrano la più alta conduttività termica a temperatura ambiente (270 W·m-1·K-1). Tuttavia, BeO è altamente tossico e cancerogeno, il che lo rende inadatto a un uso diffuso nei laboratori o nell’industria. Il sistema Y2O3-Al2O3 ha un punto eutettico a 1760°C ed è un comune ausilio di sinterizzazione in fase liquida perCeramica SiC, ma poiché Al3+ si dissolve facilmente nel reticolo SiC,Ceramica SiCcon questo sistema come ausilio per la sinterizzazione hanno conducibilità termiche a temperatura ambiente inferiori a 200 W·m-1·K-1.

Gli elementi delle terre rare come Y, Sm, Sc, Gd e La non sono facilmente solubili nel reticolo SiC e hanno un'elevata affinità per l'ossigeno, riducendo efficacemente il contenuto di ossigeno nel reticolo SiC. Pertanto, il sistema Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) è comunemente usato come ausilio di sinterizzazione per preparare materiali ad alta conduttività termica (>200 W·m-1·K-1)Ceramica SiC. Ad esempio, nel sistema Y2O3-Sc2O3, la deviazione ionica tra Y3+ e Si4+ è significativa, impedendo la formazione di soluzioni solide. La solubilità di Sc nel SiC puro è relativamente bassa a temperature di 1800~2600°C, circa (2~3)×10^17 atomi·cm^-3.

Le proprietà termiche delle ceramiche SiC con diversi ausiliari di sinterizzazione

Trattamento termico ad alta temperatura

Trattamento termico ad alta temperatura diCeramica SiCaiuta ad eliminare i difetti reticolari, le dislocazioni e lo stress residuo, promuovendo la trasformazione di alcune strutture amorfe in strutture cristalline e riducendo la dispersione dei fononi. Inoltre, il trattamento termico ad alta temperatura promuove efficacemente la crescita dei grani di SiC, migliorando in definitiva le proprietà termiche del materiale. Ad esempio, dopo il trattamento termico ad alta temperatura a 1950°C, la diffusività termica diCeramica SiCè aumentata da 83,03 mm2·s-1 a 89,50 mm2·s-1 e la conduttività termica a temperatura ambiente è aumentata da 180,94 W·m-1·K-1 a 192,17 W·m-1·K-1. Il trattamento termico ad alta temperatura migliora significativamente la capacità di disossidazione degli ausiliari di sinterizzazione sulla superficie e sul reticolo del SiC e rafforza le connessioni dei grani del SiC. Di conseguenza, la conduttività termica a temperatura ambiente diCeramica SiCrisulta notevolmente migliorato dopo il trattamento termico ad alta temperatura.**

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