सेमीकंडक्टर उद्योग में उच्च तापीय चालकता वाले SiC सिरेमिक की मांग क्यों बढ़ रही है?

वर्तमान में,सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)घरेलू और अंतरराष्ट्रीय स्तर पर तापीय प्रवाहकीय सिरेमिक सामग्रियों में अनुसंधान का एक अत्यधिक सक्रिय क्षेत्र है। एक सैद्धांतिक तापीय चालकता के साथ जो कुछ क्रिस्टल प्रकारों के लिए 270 W/mK तक पहुंच सकती है,सिकगैर-प्रवाहकीय सामग्रियों में शीर्ष प्रदर्शन करने वालों में से एक है। इसका अनुप्रयोग सेमीकंडक्टर डिवाइस सब्सट्रेट्स, उच्च तापीय-चालकता वाले सिरेमिक सामग्री, सेमीकंडक्टर प्रसंस्करण में हीटर और हॉट प्लेट, परमाणु ईंधन के लिए कैप्सूल सामग्री और कंप्रेसर पंपों में एयरटाइट सील तक फैला हुआ है।

कैसा हैसिलिकन कार्बाइडसेमीकंडक्टर उद्योग में लागू?

सेमीकंडक्टर उद्योग के भीतर सिलिकॉन वेफर्स के उत्पादन में ग्राइंडिंग प्लेट और फिक्स्चर आवश्यक प्रक्रिया उपकरण हैं। यदि पीसने वाली प्लेटें कच्चा लोहा या कार्बन स्टील से बनाई जाती हैं, तो उनका जीवनकाल छोटा होता है और थर्मल विस्तार का गुणांक उच्च होता है। सिलिकॉन वेफर प्रसंस्करण के दौरान, विशेष रूप से उच्च गति पीसने या पॉलिशिंग के दौरान, इन पीसने वाली प्लेटों के पहनने और थर्मल विरूपण से सिलिकॉन वेफर्स की समतलता और समानता को बनाए रखना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। हालाँकि, सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक से बनी ग्राइंडिंग प्लेटें उच्च कठोरता और कम घिसाव प्रदर्शित करती हैं, थर्मल विस्तार के गुणांक के साथ जो सिलिकॉन वेफर्स से काफी मेल खाता है, जिससे उच्च गति से पीसने और पॉलिश करने में मदद मिलती है।

इसके अलावा, सिलिकॉन वेफर्स के उत्पादन के दौरान, उच्च तापमान ताप उपचार की आवश्यकता होती है, अक्सर परिवहन के लिए सिलिकॉन कार्बाइड फिक्स्चर का उपयोग किया जाता है। ये फिक्स्चर गर्मी और क्षति के प्रतिरोधी हैं और प्रदर्शन को बढ़ाने, वेफर क्षति को कम करने और प्रदूषण प्रसार को रोकने के लिए हीरे की तरह कार्बन (डीएलसी) के साथ लेपित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, तीसरी पीढ़ी के वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्रियों के प्रतिनिधि के रूप में, सिलिकॉन कार्बाइड सिंगल क्रिस्टल में वाइड बैंडगैप (सिलिकॉन का लगभग तीन गुना), उच्च तापीय चालकता (सिलिकॉन का लगभग 3.3 गुना या 10 गुना) जैसे गुण होते हैं। GaAs का), उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति वेग (सिलिकॉन का लगभग 2.5 गुना), और एक उच्च विखंडन विद्युत क्षेत्र (सिलिकॉन का लगभग 10 गुना या GaAs का पांच गुना)। सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण व्यावहारिक अनुप्रयोगों में पारंपरिक अर्धचालक सामग्री उपकरणों की कमियों की भरपाई करते हैं और धीरे-धीरे बिजली अर्धचालक में मुख्यधारा बन रहे हैं।

उच्च-तापीय चालकता की मांग क्यों है?सिक सिरेमिकबढ़ रहा है?

निरंतर तकनीकी प्रगति के साथ, की मांगसिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिकसेमीकंडक्टर उद्योग में तेजी से वृद्धि हो रही है। उच्च तापीय चालकता अर्धचालक विनिर्माण उपकरण घटकों में उनके अनुप्रयोग के लिए एक महत्वपूर्ण संकेतक है, जिससे अनुसंधान उच्च तापीय चालकता में हो जाता है।सिक सिरेमिकमहत्वपूर्ण। जाली ऑक्सीजन सामग्री को कम करना, घनत्व बढ़ाना, और जाली में दूसरे चरण के वितरण को तर्कसंगत रूप से नियंत्रित करना तापीय चालकता को बढ़ाने के प्राथमिक तरीके हैंसिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक.

वर्तमान में, उच्च-तापीय-चालकता पर अनुसंधानसिक सिरेमिकचीन में यह सीमित है और वैश्विक मानकों से काफी पीछे है। भविष्य के शोध निर्देशों में शामिल हैं:

की तैयारी प्रक्रिया अनुसंधान को मजबूत करनासिक सिरेमिकपाउडर, उच्च शुद्धता की तैयारी के रूप में, कम ऑक्सीजन SiC पाउडर उच्च तापीय चालकता प्राप्त करने के लिए मौलिक हैसिक सिरेमिक.

सिंटरिंग सहायता के चयन और सैद्धांतिक अनुसंधान को बढ़ाना।

उच्च-स्तरीय सिंटरिंग उपकरण विकसित करना, क्योंकि उच्च-तापीय-चालकता प्राप्त करने के लिए एक उचित माइक्रोस्ट्रक्चर प्राप्त करने के लिए सिंटरिंग प्रक्रिया को विनियमित करना आवश्यक है।सिक सिरेमिक.

कौन से उपाय तापीय चालकता में सुधार कर सकते हैंसिक सिरेमिक?

की तापीय चालकता में सुधार की कुंजीसिक सिरेमिकफोनन प्रकीर्णन आवृत्ति को कम करना और फोनन के माध्य मुक्त पथ को बढ़ाना है। इसे सरंध्रता और अनाज सीमा घनत्व को कम करके प्रभावी ढंग से प्राप्त किया जा सकता हैसिक सिरेमिक, SiC अनाज सीमाओं की शुद्धता को बढ़ाना, SiC जाली में अशुद्धियों या दोषों को कम करना, और SiC में थर्मल ट्रांसपोर्ट वाहक को बढ़ाना। वर्तमान में, सिंटरिंग सहायता के प्रकार और सामग्री का अनुकूलन और उच्च तापमान ताप उपचार तापीय चालकता को बढ़ाने के लिए प्राथमिक उपाय हैं।सिक सिरेमिक.

सिंटरिंग सहायता के प्रकार और सामग्री का अनुकूलन

उच्च-तापीय-चालकता की तैयारी के दौरान अक्सर विभिन्न सिंटरिंग सहायक उपकरण जोड़े जाते हैंसिक सिरेमिक. इन सिंटरिंग सहायता का प्रकार और सामग्री तापीय चालकता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती हैसिक सिरेमिक. उदाहरण के लिए, Al2O3 सिस्टम सिंटरिंग सहायता में Al या O जैसे तत्व आसानी से SiC जाली में घुल सकते हैं, रिक्तियां और दोष पैदा कर सकते हैं, जिससे फोनन बिखरने की आवृत्ति बढ़ जाती है। इसके अलावा, यदि सिंटरिंग सहायता सामग्री बहुत कम है, तो सामग्री सिंटरिंग के दौरान सघन नहीं हो सकती है, जबकि उच्च सिंटरिंग सहायता सामग्री से अशुद्धियाँ और दोष बढ़ सकते हैं। अत्यधिक तरल-चरण सिंटरिंग सहायता भी SiC अनाज के विकास को रोक सकती है, जिससे फोनन माध्य मुक्त पथ कम हो जाता है। इसलिए, उच्च-तापीय-चालकता प्राप्त करने के लिएसिक सिरेमिक, घनत्व सुनिश्चित करते समय सिंटरिंग सहायता सामग्री को कम करना आवश्यक है, और ऐसे सिंटरिंग सहायता का चयन करें जो SiC जाली में आसानी से घुलनशील नहीं हैं।

वर्तमान में, हॉट-प्रेस्डसिक सिरेमिकसिंटरिंग सहायता के रूप में BeO का उपयोग उच्चतम कमरे के तापमान की तापीय चालकता (270 W·m-1·K-1) प्रदर्शित करता है। हालाँकि, BeO अत्यधिक विषैला और कैंसरकारी है, जो इसे प्रयोगशालाओं या उद्योग में व्यापक उपयोग के लिए अनुपयुक्त बनाता है। Y2O3-Al2O3 प्रणाली में 1760°C पर एक यूटेक्टिक बिंदु होता है और यह एक सामान्य तरल-चरण सिंटरिंग सहायता हैसिक सिरेमिक, लेकिन चूंकि Al3+ आसानी से SiC जाली में घुल जाता है,सिक सिरेमिकसिंटरिंग सहायता के रूप में इस प्रणाली में कमरे के तापमान की तापीय चालकता 200 W·m-1·K-1 से कम होती है।

वाई, एसएम, एससी, जीडी और ला जैसे दुर्लभ पृथ्वी तत्व SiC जाली में आसानी से घुलनशील नहीं होते हैं और उच्च ऑक्सीजन बन्धुता रखते हैं, जो SiC जाली में ऑक्सीजन सामग्री को प्रभावी ढंग से कम करते हैं। इसलिए, Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) प्रणाली का उपयोग आमतौर पर उच्च-थर्मल-चालकता (>200 W·m-1·K-1) तैयार करने के लिए सिंटरिंग सहायता के रूप में किया जाता है।सिक सिरेमिक. उदाहरण के लिए, Y2O3-Sc2O3 प्रणाली में, Y3+ और Si4+ के बीच आयनिक विचलन महत्वपूर्ण है, जो ठोस समाधानों के निर्माण को रोकता है। शुद्ध SiC में Sc की घुलनशीलता 1800~2600°C के तापमान पर अपेक्षाकृत कम है, लगभग (2~3)×10^17 परमाणु·सेमी^-3।

विभिन्न सिंटरिंग सहायता के साथ SiC सिरेमिक के थर्मल गुण

उच्च तापमान ताप उपचार

उच्च तापमान ताप उपचारसिक सिरेमिकजाली दोषों, अव्यवस्थाओं और अवशिष्ट तनाव को खत्म करने में मदद करता है, कुछ अनाकार संरचनाओं को क्रिस्टलीय संरचनाओं में बदलने को बढ़ावा देता है और फोनन बिखरने को कम करता है। इसके अतिरिक्त, उच्च तापमान ताप उपचार प्रभावी ढंग से SiC अनाज के विकास को बढ़ावा देता है, अंततः सामग्री के थर्मल गुणों को बढ़ाता है। उदाहरण के लिए, 1950°C पर उच्च तापमान ताप उपचार के बाद, की तापीय प्रसारशीलतासिक सिरेमिक83.03 mm2·s-1 से बढ़कर 89.50 mm2·s-1 हो गया, और कमरे के तापमान की तापीय चालकता 180.94 W·m-1·K-1 से बढ़कर 192.17 W·m-1·K-1 हो गई। उच्च तापमान ताप उपचार से SiC सतह और जाली पर सिंटरिंग सहायता की डीऑक्सीडेशन क्षमता में काफी सुधार होता है और SiC अनाज कनेक्शन को मजबूत किया जाता है। नतीजतन, कमरे के तापमान की तापीय चालकतासिक सिरेमिकउच्च तापमान ताप उपचार के बाद उल्लेखनीय रूप से वृद्धि हुई है।**

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