A szilícium-nitrid (Si₃N4) kerámiák, mint fejlett szerkezeti kerámiák, kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például magas hőmérséklet-állóság, nagy szilárdság, nagy szívósság, nagy keménység, kúszásállóság, oxidációállóság és kopásállóság. Ezenkívül jó hőütésállóságot, dielektromos tulajdonságokat, magas hővezető képességet és kiváló nagyfrekvenciás elektromágneses hullámátviteli teljesítményt kínálnak. Ezek a kiemelkedő átfogó tulajdonságok széles körben alkalmazzák őket összetett szerkezeti elemekben, különösen a repülőgépiparban és más high-tech területeken.
Azonban a Si3N4 erős kovalens kötésekkel rendelkező vegyület, amelynek stabil szerkezete van, ami megnehezíti a szinterezést nagy sűrűségűre önmagában a szilárdtest diffúzióval. A szinterezés elősegítésére szinterezési segédanyagokat, például fém-oxidokat (MgO, CaO, Al2O3) és ritkaföldfém-oxidokat (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2) adnak hozzá, hogy megkönnyítsék a folyékony fázisú szinterezési mechanizmuson keresztül történő tömörítést.
Jelenleg a globális félvezető eszközök technológiája a magasabb feszültségek, nagyobb áramok és nagyobb teljesítménysűrűségek felé halad. A Si3N4 kerámiák gyártási módszereinek kutatása kiterjedt. Ez a cikk olyan szinterezési eljárásokat mutat be, amelyek hatékonyan javítják a szilícium-nitrid kerámiák sűrűségét és átfogó mechanikai tulajdonságait.
Általános szinterezési módszerek Si3N4 kerámiákhoz
A különböző szinterezési módszerekkel előállított Si3N4 kerámiák teljesítményének összehasonlítása
1. Reaktív szinterezés (RS):A reaktív szinterezés volt az első módszer a Si3N4 kerámiák ipari előállítására. Egyszerű, költséghatékony, és képes összetett formák kialakítására. Azonban hosszú a gyártási ciklusa, ami nem kedvez az ipari méretű termelésnek.
2. Nyomásmentes szinterezés (PLS):Ez a legalapvetőbb és legegyszerűbb szinterezési folyamat. Azonban jó minőségű Si₃N4-alapanyagokat igényel, és gyakran kisebb sűrűségű, jelentős zsugorodású, repedésre vagy deformálódásra hajlamos kerámiát eredményez.
3. Hot-Press szinterezés (HP):Az egytengelyű mechanikai nyomás alkalmazása növeli a szinterezés hajtóerejét, lehetővé téve sűrű kerámiák előállítását 100-200°C-kal alacsonyabb hőmérsékleten, mint a nyomásmentes szinterezésnél. Ezt a módszert jellemzően viszonylag egyszerű tömb alakú kerámiák gyártására használják, de nehéz teljesíteni a hordozóanyagok vastagság- és alakkövetelményeit.
4. Spark Plasma szinterezés (SPS):Az SPS-t a gyors szinterezés, a szemcsefinomítás és a csökkentett szinterezési hőmérséklet jellemzi. Az SPS azonban jelentős berendezés-befektetést igényel, és a nagy hővezető képességű Si₃N4 kerámiák SPS-en keresztüli előállítása még csak kísérleti stádiumban van, és még nem iparosodott.
5. Gáznyomásos szinterezés (GPS):Gáznyomás alkalmazásával ez a módszer gátolja a kerámia bomlását és a súlyvesztést magas hőmérsékleten. Könnyebb a nagy sűrűségű kerámiák előállítása, és lehetővé teszi a tételes gyártást. Az egylépcsős gáznyomásos szinterezési folyamat azonban nehezen tud egységes belső és külső színű és szerkezetű szerkezeti elemeket előállítani. A két- vagy többlépéses szinterezési eljárás alkalmazása jelentősen csökkentheti a szemcsék közötti oxigéntartalmat, javíthatja a hővezető képességet és javíthatja az általános tulajdonságokat.
A kétlépcsős gáznyomásos szinterezés magas szinterezési hőmérséklete azonban arra késztette a korábbi kutatásokat, hogy elsősorban a nagy hővezető képességű és szobahőmérsékletű hajlítószilárdságú Si₃N4 kerámia szubsztrátumok előállítására összpontosítsanak. Az átfogó mechanikai tulajdonságokkal és magas hőmérsékletű mechanikai tulajdonságokkal rendelkező Si₃N4 kerámiákkal kapcsolatos kutatások viszonylag korlátozottak.
Gáznyomású, kétlépéses szinterezési módszer Si3N4-hez
Yang Zhou és munkatársai a Chongqing University of Technology-ról 5 tömeg% Yb2O3 + 5 tömeg% Al2O3 szinterezési segédrendszert használtak a Si3N4 kerámiák előállításához egylépéses és kétlépcsős gáznyomásos szinterezési eljárásokkal 1800 °C-on. A kétlépéses szinterezési eljárással előállított Si3N4 kerámiák nagyobb sűrűséggel és jobb átfogó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeztek. Az alábbiakban összefoglaljuk az egylépéses és kétlépéses gáznyomásos szinterezési folyamatok hatását a Si3N4 kerámia komponensek mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira.
Sűrűség A Si3N4 tömörítési folyamata jellemzően három szakaszból áll, a szakaszok átfedésével. Az első szakasz, a részecskék átrendeződése, és a második szakasz, az oldódás-kicsapódás a tömörítés legkritikusabb szakaszai. A megfelelő reakcióidő ezekben a szakaszokban jelentősen javítja a minta sűrűségét. Ha a kétlépcsős szinterezési folyamat előszinterelési hőmérséklete 1600 °C, a β-Si₃N4 szemcsék vázat alkotnak, és zárt pórusokat hoznak létre. Az előszinterelés után a további melegítés magas hőmérsékleten és nitrogénnyomáson elősegíti a folyadékfázisú áramlást és a feltöltődést, ami segít eltávolítani a zárt pórusokat, tovább javítva a Si3N4 kerámiák sűrűségét. Ezért a kétlépcsős szintereléssel előállított minták nagyobb sűrűséget és relatív sűrűséget mutatnak, mint az egylépéses szintereléssel előállított minták.
Fázis és mikrostruktúra Az egylépéses szinterezés során a szemcse átrendeződésére és a szemcsehatár diffúziójára rendelkezésre álló idő korlátozott. A kétlépcsős szinterezési eljárásban az első lépést alacsony hőmérsékleten és alacsony gáznyomáson hajtják végre, ami meghosszabbítja a részecskék átrendeződési idejét és nagyobb szemcséket eredményez. Ezután a hőmérsékletet a magas hőmérsékleti szakaszra emelik, ahol a szemek az Ostwald-érési folyamat során tovább nőnek, és nagy sűrűségű Si3N4-kerámiát kapnak.
Mechanikai tulajdonságok A szemcseközi fázis meglágyulása magas hőmérsékleten az elsődleges oka a szilárdságcsökkenésnek. Az egylépéses szinterezés során a rendellenes szemcsenövekedés kis pórusokat hoz létre a szemcsék között, ami megakadályozza a magas hőmérsékleten történő szilárdság jelentős javulását. A kétlépcsős szinterezési eljárásban azonban a szemcsehatárokon egyenletesen eloszló üvegfázis és az egyenletes méretű szemcsék fokozzák a szemcseközi szilárdságot, ami nagyobb magas hőmérsékletű hajlítószilárdságot eredményez.
Összefoglalva, az egylépéses szinterezés alatti hosszan tartó tartás hatékonyan csökkentheti a belső porozitást, és egyenletes belső színt és szerkezetet érhet el, de rendellenes szemcsenövekedéshez vezethet, ami ront bizonyos mechanikai tulajdonságokat. Kétlépcsős szinterezési eljárás alkalmazásával – alacsony hőmérsékletű előszinterezéssel a részecskék átrendeződési idejének meghosszabbítására és magas hőmérsékleten tartással az egyenletes szemcsenövekedés elősegítésére – egy Si₃N4-kerámia 98,25%-os relatív sűrűséggel, egyenletes mikroszerkezettel és kiváló átfogó mechanikai tulajdonságokkal sikeresen elkészíthető.
| Név | Szubsztrát | Az epitaxiális réteg összetétele | Epitaxiális folyamat | Epitaxiális közeg |
| Szilícium homoepitaxiális | Si | Si | Gőzfázisú epitaxia (VPE) | SiCl4+H2 |
| Szilícium heteroepitaxiális | Zafír vagy spinell | Si | Gőzfázisú epitaxia (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homoepitaxiális | GaAs | GaAs GaAs | Gőzfázisú epitaxia (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxiális | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Folyadékfázisú epitaxia (LPE) Gőzfázis (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CH1+H2 |
| GaP homoepitaxiális | Rés | GaP(GaP;N) | Folyadékfázisú epitaxia (LPE) Folyadékfázisú epitaxia (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Szuperrács | GaAs | GaAlAs/GaAs (ciklus) | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxiális | InP | InP | Gőzfázisú epitaxia (VPE) Folyadékfázisú epitaxia (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaxia | Si | GaAs | Molecular Beam Epitaxy (MBE) MOGVD | Ga、As GaR3+AsH3+H2 |
Feladás időpontja: 2024. december 24