Piikarbidikeramiikka (SiC) tarjoaa poikkeuksellisen kovuuden, korkean lämmönjohtavuuden, korroosionkestävyyden ja korkean -lämpötilojen stabiilisuuden, minkä vuoksi niitä käytetään laajasti puolijohdelaitteessa, ilmailu-, ydinenergia- ja muilla aloilla. Vahvasti kovalenttisena-sidoksena piikarbidin atomidiffuusio on erittäin huono jopa 2100 asteen lämpötiloissa, mikä tekee täydellisestä tiivistymisestä vaikeaa saavuttaa tavanomaisilla sintrausprosesseilla.
Tämä materiaalirajoitus huomioon ottaen sintraustekniikka ei todennäköisesti näe häiritseviä läpimurtoja lähitulevaisuudessa. Siksi jauheen laadun optimoinnista sen lähteellä on tullut käytännöllisin ja kustannustehokkain tapa parantaa piikarbidikeraamisen suorituskykyä. Jauheen ominaisuudet-puhtaus, hiukkaskokojakauma ja kidefaasi-vaikuttavat koko prosessiketjuun, mukaan lukien sintraus, rakeiden kasvu ja tarkkuustyöstö. Tässä artikkelissa tarkastellaan, kuinka keskeiset jauheindikaattorit vaikuttavat lopulliseen keraamiseen tuotteeseen, ja hahmotellaan vastaavat tekniset ohjausstrategiat.
1. Puhtaus: Mekaanisen suorituskyvyn perusta
Piikarbidijauheen epäpuhtaudet jakautuvat kolmeen pääluokkaan: metalliset epäpuhtaudet (Fe, Al, Na jne.), vapaat hiili-/piifaasit ja oksidiepäpuhtaudet (ensisijaisesti SiO₂). Metalliset epäpuhtaudet pyrkivät erottumaan rakeiden rajoilla muodostaen vuotoreittejä ja vähentäen sähköeristystä. Vapaa hiili ja vapaa pii toimivat rakenteellisina heikkoina kohtina, jotka aiheuttavat helposti halkeamia. Oksidiepäpuhtaudet hajoavat ja synnyttävät kaasuja korkean lämpötilan-sintrauksen aikana, mikä toimii sisäisen huokoisuuden ensisijaisena lähteenä. Nämä kolme epäpuhtaustyyppiä heikentävät keraamisen laatua sähköisten ominaisuuksien, mekaanisen lujuuden ja tiivistymisen osalta.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että kun jauheen puhtaus kasvaa 96,5 %:sta 98,8 %:iin, tuloksena olevan keramiikan suhteellinen tiheys, taivutuslujuus, murtolujuus ja Vickers-kovuus paranevat kaikki merkittävästi. Tämä johtuu siitä, että korkealaatuisempi-jauhe vähentää matalan-sulamispisteen-epäpuhtausfaaseja raerajoilla, estää epänormaalia raekasvua ja minimoi kaasun huokoisuuden epäpuhtauksien hajoamisesta, mikä parantaa samalla tiivistymistä ja rakeiden tasaisuutta. Näistä ominaisuuksista taivutuslujuus on herkin huokoisuudelle ja mikrohalkeamille, ja siten epäpuhtaudet vaikuttavat siihen eniten.
Puolijohdeteollisuus asettaa äärimmäisen tiukat puhtausvaatimukset piikarbidikeramiikalle. Otetaan esimerkiksi tarkennusrengas,-se on suoraan alttiina korkean-energiselle ionipommitukselle ja fluori-pitoiselle kaasukorroosiolle plasmaetsauskammiossa. Kaikki pienet metalliepäpuhtaudet voivat johtaa kiekkojen kontaminaatioon tai epätasaiseen etsaukseen, mikä edellyttää jauheen puhtausastetta vähintään 4 N. 4N-puhtausasteella ja sitä korkeammalla epäpuhtauksien hallinta siirtyy tavanomaisesta kokonaispitoisuuden mittauksesta tarkkaan-hivenaineseulontaan, ja induktiivisesti kytketystä plasmamassaspektrometriasta (ICP-}MS) tulee ensisijainen analyyttinen työkalu.
2. Hiukkaskoko ja asteikko: tasapainottaa vihreää-rungon pakkaus- ja sintraustoimintoa
Jauheen hiukkaskoko ja asteikko vaikuttavat keramiikan valmistukseen kahdella päätavalla:
Toisaalta hyvin -suunniteltu hiukkaskokojakauma mahdollistaa hienojen hiukkasten täyttämisen karkeiden hiukkasten välissä, mikä lisää muodostuneen vihreän kappaleen tiheyttä. Toisaalta hienommilla hiukkasilla on suurempi ominaispinta-ala ja suurempi pintaenergia, mikä tarjoaa suuremman sintrausaktiivisuuden, joka voi alentaa sintrauslämpötiloja ja lyhentää pitoaikoja.
Kokeelliset havainnot osoittavat, että hienojen hiukkasten osuuden kasvaessa piikarbidirakeet muuttuvat vähitellen tasaakselisista kuusikulmaisista verihiutaleiden morfologioista, kun taas suhteellinen tiheys ensin nousee ja sitten laskee saavuttaen huippunsa noin 40 %:n hienojakoisten hiukkasten pitoisuudessa. Liian pieni hieno-hiukkasfraktio jättää hiukkasten väliset aukot riittämättömästi täytetyiksi; liian suuri fraktio aiheuttaa ennenaikaista tiivistymistä varhaisessa sintrausvaiheessa, mikä estää sisäistä kaasun poistumista ja hiukkasten uudelleenjärjestelyä, mikä lopulta vähentää lopullista tiheyttä. Teollisuus suosii tällä hetkellä bimodaalista hiukkaskokojakaumaa tasapainottaakseen pakkaustehokkuutta ja sintraussuorituskykyä-yleisiä yhdistelmiä ovat karkeat hiukkaset välillä 10–30 μm ja hienot hiukkaset välillä 0,5–2 μm, ja suhdetta säädetään tuotteen paksuuden ja muovausmenetelmän mukaan.
Lisäksi hiukkaskoon tasaisuus vaikuttaa suoraan myöhempään tarkkuustyöstöön. Jos hiukkaskoot vaihtelevat liikaa, myös sintratut raekoot ovat epätasaisia, mikä johtaa kovuuden epäjohdonmukaisuuksiin kemiallisen mekaanisen kiillotuksen (CMP) aikana ja naarmuihin ja kuoppiin. Puolijohdekomponenttien, joilla on tiukat pinnanlaatuvaatimukset, kuten sähköstaattiset istukat, jopa mikroni-mittakaavaiset naarmut voivat aiheuttaa poikkeamia kiekon adsorptiovoimassa, mikä vaikuttaa suoraan laitteen suorituskykyyn ja tuottoon.
3. Crystal Phase: lämpö- ja sähköominaisuuksien säätönuppi
Yli 200 piikarbidin polytyyppiä on tunnistettu, joista kuutioinen -SiC (3C-SiC) ja kuusikulmainen -SiC (4H-SiC, 6H-SiC) ovat teollisesti merkityksellisintä. -SiC, joka vähitellen muuttuu metakelpoiseksi faasiksi{{10} korkea{11}}lämpötila-stabiili -SiC yli 1800 astetta . Sintrauslämpötila, pitoaika ja uunin ilmakehä vaikuttavat kaikki lopullisen faasin koostumukseen.
Mitä tulee sintrauskäyttäytymiseen, -SiC, jolla on suurempi hilavirhetiheys ja pintaenergia, osoittaa parempaa sintrausaktiivisuutta kuin -SiC. Vaiheenmuutokseen liittyy kuitenkin tilavuuden muutoksia, ja virheellinen prosessin ohjaus voi aiheuttaa mikrohalkeamia. Siksi jauheen alkukidefaasi on sovitettava tarkasti yhteen sintrausjärjestelmän kanssa.
Toiminnallisesti näillä kahdella vaiheella on selvästi erilaiset ominaisuudet: -SiC:llä on järjestetty hilarakenne, jossa on heikko fononien sironta, mikä tarjoaa erinomaisen lämmönjohtavuuden ja paremman sähköeristyksen; -SiC:llä, jolla on suurempi vikatiheys, on vahvempi sähkönjohtavuus ja suhteellisen alempi lämmönjohtavuus.
Tämä ero mahdollistaa keramiikan kohdennetun toiminnallisen suunnittelun. Puolijohdeetsauskomponentit vaativat kohtalaisen sähkönjohtavuuden staattisen varauksen poistamiseksi-, joten käytetään usein formulaatioita, joissa on korkeampi -SiC-pitoisuus. Korkean-lämpötilojen lämmönhallintakomponentit sitä vastoin vaativat maksimaalista lämmönjohtavuutta, mikä suosii raakajauheita, joissa on korkea -SiC-pitoisuus. Esimerkiksi etsauslaitteiden suihkupäiden on kestettävä plasmakorroosiota ja samalla oltava riittävä johtavuus varauksen kertymisen ja eristeiden hajoamisen estämiseksi, joten niissä käytetään yleensä jauheita, joissa on korkeampi -SiC-pitoisuus. Sitä vastoin korkean lämpötilan -suskeptorit LED-epitaksissa priorisoivat lämmönjohtavuutta ja suosivat siksi -SiC:tä.