Silicio nitrido (Si₃N4) keramika, kaip pažangi struktūrinė keramika, pasižymi puikiomis savybėmis, tokiomis kaip atsparumas aukštai temperatūrai, didelis stiprumas, didelis kietumas, didelis kietumas, atsparumas valkšnumui, atsparumas oksidacijai ir atsparumas dilimui. Be to, jie turi gerą atsparumą šiluminiam smūgiui, dielektrines savybes, aukštą šilumos laidumą ir puikų aukšto dažnio elektromagnetinių bangų perdavimo našumą. Dėl šių išskirtinių visapusiškų savybių jie plačiai naudojami sudėtinguose konstrukcijų komponentuose, ypač aviacijos ir kitose aukštųjų technologijų srityse.
Tačiau Si₃N4, kaip junginys su stipriais kovalentiniais ryšiais, turi stabilią struktūrą, dėl kurios sunku sukepinti iki didelio tankio tik dėl kietojo kūno difuzijos. Siekiant paskatinti sukepinimą, pridedama pagalbinių sukepinimo medžiagų, tokių kaip metalų oksidai (MgO, CaO, Al2O3) ir retųjų žemių oksidai (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO₂), kad būtų palengvintas tankinimas naudojant skystosios fazės sukepinimo mechanizmą.
Šiuo metu pasaulinė puslaidininkinių įrenginių technologija tobulėja link aukštesnės įtampos, didesnių srovių ir didesnio galios tankio. Si₃N4 keramikos gamybos metodų tyrimai yra platūs. Šiame straipsnyje pristatomi sukepinimo procesai, kurie efektyviai pagerina silicio nitrido keramikos tankį ir visapusiškas mechanines savybes.
Įprasti Si₃N4 keramikos sukepinimo metodai
Si3N4 keramikos, paruoštos skirtingais sukepinimo metodais, našumo palyginimas
1. Reaktyvusis sukepinimas (RS):Reaktyvusis sukepinimas buvo pirmasis Si3N4 keramikos pramoninio paruošimo būdas. Tai paprasta, ekonomiška ir galinti formuoti sudėtingas formas. Tačiau jis turi ilgą gamybos ciklą, kuris nėra palankus pramoninio masto gamybai.
2. Beslėgis sukepinimas (PLS):Tai pats paprasčiausias ir paprasčiausias sukepinimo procesas. Tačiau tam reikalingos aukštos kokybės Si₃N₄ žaliavos, todėl keramika dažnai būna su mažesniu tankiu, reikšmingu susitraukimu ir polinkiu įtrūkti ar deformuotis.
3. Sukepinimas karštu spaudimu (HP):Vienaašio mechaninio slėgio taikymas padidina sukepinimo varomąją jėgą, todėl tankią keramiką galima gaminti 100–200°C žemesnėje temperatūroje nei naudojama beslėgio sukepinimo metu. Šis metodas paprastai naudojamas palyginti paprastai bloko formos keramikai gaminti, tačiau jį sunku atitikti pagrindo medžiagų storio ir formos reikalavimus.
4. Kibirkštinis plazminis sukepinimas (SPS):SPS pasižymi greitu sukepimu, grūdų rafinavimu ir sumažinta sukepinimo temperatūra. Tačiau SPS reikia didelių investicijų į įrangą, o didelio šilumos laidumo Si₃N4 keramikos paruošimas naudojant SPS vis dar yra eksperimentinėje stadijoje ir dar nėra pramoninis.
5. Dujų slėgio sukepinimas (GPS):Taikant dujų slėgį, šis metodas stabdo keramikos skilimą ir svorio mažėjimą esant aukštai temperatūrai. Tai lengviau gaminti didelio tankio keramiką ir leidžia gaminti partiją. Tačiau vieno etapo sukepinimo dujų slėgiu procesas stengiasi pagaminti vienodos vidinės ir išorinės spalvos ir struktūros struktūrinius komponentus. Naudojant dviejų ar kelių pakopų sukepinimo procesą, galima žymiai sumažinti tarpgranulinio deguonies kiekį, pagerinti šilumos laidumą ir pagerinti bendras savybes.
Tačiau aukšta dviejų pakopų sukepinimo dujų slėgiu temperatūra paskatino ankstesnius tyrimus daugiausia dėmesio skirti Si₃N4 keraminių substratų, turinčių didelį šilumos laidumą ir kambario temperatūros lenkimo stiprumą, paruošimui. Si₃N₄ keramikos, pasižyminčios visapusiškomis mechaninėmis savybėmis ir aukštos temperatūros mechaninėmis savybėmis, tyrimai yra palyginti riboti.
Dujų slėgio dviejų pakopų Si3N4 sukepinimo metodas
Yang Zhou ir kolegos iš Čongčingo technologijos universiteto naudojo 5 masės % Yb2O3 + 5 masės % Al2O3 sukepinimo sistemą, kad paruoštų Si3N4 keramiką, naudojant tiek vieno, tiek dviejų pakopų sukepinimo dujų slėgiu procesus 1800 °C temperatūroje. Si₃N4 keramika, pagaminta dviejų pakopų sukepinimo būdu, turėjo didesnį tankį ir geresnes visapuses mechanines savybes. Toliau apibendrinamas vieno ir dviejų pakopų sukepinimo dujų slėgiu procesų poveikis Si₃N4 keramikos komponentų mikrostruktūrai ir mechaninėms savybėms.
Tankis Si3N4 tankinimo procesas paprastai apima tris etapus, kurių etapai sutampa. Pirmasis etapas, dalelių pertvarkymas, ir antrasis etapas, tirpimas-nusodinimas, yra svarbiausi tankinimo etapai. Pakankamas reakcijos laikas šiuose etapuose žymiai pagerina mėginio tankį. Kai dviejų pakopų sukepinimo proceso išankstinio sukepinimo temperatūra yra 1600°C, β-Si₃N4 grūdeliai sudaro karkasą ir sudaro uždaras poras. Po išankstinio sukepinimo, tolesnis kaitinimas esant aukštai temperatūrai ir azoto slėgiui skatina skystosios fazės srautą ir užpildymą, o tai padeda pašalinti uždaras poras ir dar labiau pagerinti Si₃N4 keramikos tankį. Todėl dviejų pakopų sukepinimo procese pagaminti mėginiai turi didesnį tankį ir santykinį tankį nei tie, kurie pagaminti vieno etapo sukepinimo būdu.
Fazė ir mikrostruktūra Vieno etapo sukepinimo metu dalelių pertvarkymo ir grūdelių ribos difuzijos laikas yra ribotas. Dviejų pakopų sukepinimo procese pirmasis žingsnis atliekamas esant žemai temperatūrai ir žemam dujų slėgiui, todėl pailgėja dalelių persitvarkymo laikas ir gaunami didesni grūdeliai. Tada temperatūra padidinama iki aukštos temperatūros stadijos, kur grūdai toliau auga per Ostvaldo nokinimo procesą, todėl gaunama didelio tankio Si₃N4 keramika.
Mechaninės savybės Tarpgranulinės fazės suminkštėjimas aukštoje temperatūroje yra pagrindinė sumažėjusio stiprumo priežastis. Vieno etapo sukepinimo metu nenormalus grūdelių augimas sukuria mažas poras tarp grūdelių, o tai neleidžia žymiai pagerinti stiprumo aukštoje temperatūroje. Tačiau dviejų pakopų sukepinimo procese stiklo fazė, tolygiai paskirstyta grūdelių ribose, ir vienodo dydžio grūdeliai padidina tarpkristalinį stiprumą, todėl aukštoje temperatūroje yra didesnis atsparumas lenkimui.
Apibendrinant galima teigti, kad ilgesnis laikymas vienos pakopos sukepinimo metu gali veiksmingai sumažinti vidinį poringumą ir pasiekti vienodą vidinę spalvą bei struktūrą, tačiau gali sukelti nenormalų grūdelių augimą, kuris pablogina tam tikras mechanines savybes. Taikant dviejų pakopų sukepinimo procesą – naudojant žemos temperatūros išankstinį sukepinimą, kad būtų pailgintas dalelių persitvarkymo laikas, ir išlaikant aukštoje temperatūroje, kad būtų skatinamas tolygus grūdelių augimas – Si₃N4 keramika, kurios santykinis tankis 98,25%, vienoda mikrostruktūra ir puikios visapusiškos mechaninės savybės galima sėkmingai pasiruošti.
| Vardas | Substratas | Epitaksinio sluoksnio sudėtis | Epitaksinis procesas | Epitaksinė terpė |
| Silicio homoepitaksinis | Si | Si | Garų fazės epitaksija (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silicio heteroepitaksinis | Safyras arba špinelis | Si | Garų fazės epitaksija (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaksinis | GaAs | GaAs GaAs | Garų fazės epitaksija (VPE) | AsCl3+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molekulinio pluošto epitaksija (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksinis | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Skystosios fazės epitaksija (LPE) Garų fazė (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaksinis | GaP | GaP(GaP;N) | Skystosios fazės epitaksija (LPE) Skystosios fazės epitaksija (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supergardelė | GaAs | GaAlAs/GaAs (ciklas) | Molekulinio pluošto epitaksija (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksinis | InP | InP | Garų fazės epitaksija (VPE) Skystosios fazės epitaksija (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksija | Si | GaAs | Molekulinio pluošto epitaksija (MBE) MOGVD | Ga, As GaR₃+AsH3+H₂ |
Paskelbimo laikas: 2024-12-24