Pourquoi y a-t-il une demande croissante de céramiques SiC à haute conductivité thermique dans l’industrie des semi-conducteurs ?

Actuellement,carbure de silicium (SiC)est un domaine de recherche très actif dans le domaine des matériaux céramiques thermoconducteurs, tant au niveau national qu'international. Avec une conductivité thermique théorique pouvant atteindre jusqu'à 270 W/mK pour certains types de cristaux,SiCest parmi les plus performants dans le domaine des matériaux non conducteurs. Ses applications couvrent les substrats de dispositifs semi-conducteurs, les matériaux céramiques à haute conductivité thermique, les éléments chauffants et les plaques chauffantes dans le traitement des semi-conducteurs, les matériaux de capsules pour combustible nucléaire et les joints étanches à l'air dans les pompes de compresseur.

Comment estCarbure de siliciumAppliqué dans l’industrie des semi-conducteurs ?

Les plaques et accessoires de meulage sont des équipements de processus essentiels dans la production de tranches de silicium dans l'industrie des semi-conducteurs. Si les plaques de broyage sont en fonte ou en acier au carbone, elles ont tendance à avoir une durée de vie courte et un coefficient de dilatation thermique élevé. Lors du traitement des plaquettes de silicium, en particulier lors du meulage ou du polissage à grande vitesse, l'usure et la déformation thermique de ces plaques de meulage rendent difficile le maintien de la planéité et du parallélisme des plaquettes de silicium. Cependant, les plaques de meulage en céramique de carbure de silicium présentent une dureté élevée et une faible usure, avec un coefficient de dilatation thermique qui correspond étroitement à celui des plaquettes de silicium, permettant un meulage et un polissage à grande vitesse.

De plus, lors de la production de tranches de silicium, un traitement thermique à haute température est nécessaire, utilisant souvent des montages en carbure de silicium pour le transport. Ces luminaires résistent à la chaleur et aux dommages et peuvent être recouverts de carbone de type diamant (DLC) pour améliorer les performances, atténuer les dommages aux plaquettes et empêcher la diffusion de la contamination. De plus, en tant que représentants des matériaux semi-conducteurs à large bande interdite de troisième génération, les monocristaux de carbure de silicium possèdent des propriétés telles qu'une large bande interdite (environ trois fois celle du silicium), une conductivité thermique élevée (environ 3,3 fois celle du silicium ou 10 fois celle du silicium). de GaAs), une vitesse de saturation électronique élevée (environ 2,5 fois celle du silicium) et un champ électrique de claquage élevé (environ 10 fois celui du silicium ou cinq fois celui du GaAs). Les dispositifs en carbure de silicium compensent les défauts des dispositifs à matériaux semi-conducteurs traditionnels dans les applications pratiques et deviennent progressivement courants dans les semi-conducteurs de puissance.

Pourquoi la demande de conductivité thermique élevée est-elleCéramiques SiCUne montée en flèche ?

Avec les progrès technologiques continus, la demande decéramiques de carbure de siliciumdans l'industrie des semi-conducteurs augmente rapidement. Une conductivité thermique élevée est un indicateur critique pour leur application dans les composants d'équipements de fabrication de semi-conducteurs, ce qui rend la recherche sur la conductivité thermique élevéeCéramique SiCcrucial. La réduction de la teneur en oxygène du réseau, l'augmentation de la densité et le contrôle rationnel de la distribution de la deuxième phase dans le réseau sont les principales méthodes permettant d'améliorer la conductivité thermique du réseau.céramiques de carbure de silicium.

Actuellement, des recherches sur la conductivité thermique élevéeCéramique SiCen Chine est limitée et accuse un retard considérable par rapport aux normes mondiales. Les futures orientations de recherche comprennent :

Renforcement de la recherche sur le processus de préparation desCéramique SiCpoudres, car la préparation de poudre SiC de haute pureté et à faible teneur en oxygène est fondamentale pour obtenir une conductivité thermique élevéeCéramique SiC.

Améliorer la sélection et la recherche théorique des auxiliaires de frittage.

Développer des équipements de frittage haut de gamme, car réguler le processus de frittage pour obtenir une microstructure raisonnable est essentiel pour acquérir une conductivité thermique élevée.Céramique SiC.

Quelles mesures peuvent améliorer la conductivité thermique deCéramiques SiC?

La clé pour améliorer la conductivité thermique deCéramique SiCest de réduire la fréquence de diffusion des phonons et d’augmenter le libre parcours moyen des phonons. Ceci peut être réalisé efficacement en réduisant la porosité et la densité des joints de grains deCéramique SiC, améliorant la pureté des joints de grains de SiC, minimisant les impuretés ou les défauts dans le réseau de SiC et augmentant les vecteurs de transport thermique dans le SiC. Actuellement, l'optimisation du type et du contenu des auxiliaires de frittage et le traitement thermique à haute température sont les principales mesures visant à améliorer la conductivité thermique desCéramique SiC.

Optimisation du type et du contenu des auxiliaires de frittage

Divers auxiliaires de frittage sont souvent ajoutés lors de la préparation de matériaux à haute conductivité thermiqueCéramique SiC. Le type et le contenu de ces auxiliaires de frittage affectent de manière significative la conductivité thermique deCéramique SiC. Par exemple, des éléments comme Al ou O dans les aides au frittage du système Al2O3 peuvent facilement se dissoudre dans le réseau SiC, créant des lacunes et des défauts, augmentant ainsi la fréquence de diffusion des phonons. De plus, si la teneur en adjuvant de frittage est trop faible, le matériau peut ne pas se densifier pendant le frittage, alors qu'une teneur élevée en adjuvant de frittage peut conduire à une augmentation des impuretés et des défauts. Des auxiliaires de frittage excessifs en phase liquide pourraient également inhiber la croissance des grains de SiC, réduisant ainsi le libre parcours moyen des phonons. Par conséquent, pour obtenir une conductivité thermique élevéeCéramique SiC, il est nécessaire de minimiser la teneur en adjuvant de frittage tout en assurant la densification, et de sélectionner des adjuvants de frittage peu solubles dans le réseau SiC.

Actuellement, pressé à chaudCéramique SiCl'utilisation de BeO comme aide au frittage présente la conductivité thermique la plus élevée à température ambiante (270 W·m-1·K-1). Cependant, BeO est hautement toxique et cancérigène, ce qui le rend impropre à une utilisation généralisée en laboratoire ou dans l’industrie. Le système Y2O3-Al2O3 a un point eutectique à 1 760 °C et constitue une aide au frittage en phase liquide courante pourCéramique SiC, mais comme Al3+ se dissout facilement dans le réseau SiC,Céramique SiCavec ce système comme aide au frittage, avoir des conductivités thermiques à température ambiante inférieures à 200 W·m-1·K-1.

Les éléments de terres rares tels que Y, Sm, Sc, Gd et La ne sont pas facilement solubles dans le réseau SiC et ont une affinité élevée pour l'oxygène, réduisant efficacement la teneur en oxygène dans le réseau SiC. Par conséquent, le système Y2O3-RE2O3 (RE=Sm, Sc, Gd, La) est couramment utilisé comme aide au frittage pour préparer des particules à haute conductivité thermique (>200 W·m-1·K-1).Céramique SiC. Par exemple, dans le système Y2O3-Sc2O3, l’écart ionique entre Y3+ et Si4+ est important, empêchant la formation de solutions solides. La solubilité du Sc dans le SiC pur est relativement faible à des températures de 1 800 à 2 600 °C, soit environ (2 à 3) × 10 ^ 17 atomes·cm^-3.

Les propriétés thermiques des céramiques SiC avec différents auxiliaires de frittage

Traitement thermique à haute température

Traitement thermique à haute température deCéramique SiCaide à éliminer les défauts de réseau, les dislocations et les contraintes résiduelles, favorisant la transformation de certaines structures amorphes en structures cristallines et réduisant la diffusion des phonons. De plus, le traitement thermique à haute température favorise efficacement la croissance des grains de SiC, améliorant ainsi les propriétés thermiques du matériau. Par exemple, après un traitement thermique à haute température à 1950°C, la diffusivité thermique deCéramique SiCa augmenté de 83,03 mm2.s-1 à 89,50 mm2.s-1, et la conductivité thermique à température ambiante a augmenté de 180,94 W.m-1.K-1 à 192,17 W.m-1.K-1. Le traitement thermique à haute température améliore considérablement la capacité de désoxydation des aides au frittage sur la surface et le réseau SiC et resserre les connexions des grains SiC. Par conséquent, la conductivité thermique à température ambiante deCéramique SiCest notamment amélioré après un traitement thermique à haute température.**

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