Keramika iz silicijevega nitrida (Si₃N₄) kot napredna strukturna keramika ima odlične lastnosti, kot so odpornost na visoke temperature, visoka trdnost, visoka žilavost, visoka trdota, odpornost proti lezenju, odpornost proti oksidaciji in odpornost proti obrabi. Poleg tega ponujajo dobro odpornost na toplotne udarce, dielektrične lastnosti, visoko toplotno prevodnost in odličen prenos visokofrekvenčnih elektromagnetnih valov. Zaradi teh izjemnih celovitih lastnosti se pogosto uporabljajo v kompleksnih strukturnih komponentah, zlasti v vesolju in na drugih visokotehnoloških področjih.
Vendar ima Si3N4, ki je spojina z močnimi kovalentnimi vezmi, stabilno strukturo, ki otežuje sintranje do visoke gostote samo z difuzijo v trdnem stanju. Za spodbujanje sintranja so dodani pripomočki za sintranje, kot so kovinski oksidi (MgO, CaO, Al₂O₃) in oksidi redkih zemelj (Yb₂O3, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), ki olajšajo zgoščevanje prek mehanizma za sintranje v tekoči fazi.
Trenutno svetovna tehnologija polprevodniških naprav napreduje proti višjim napetostim, večjim tokovom in večjim gostotam moči. Raziskave metod za izdelavo Si₃N₄ keramike so obsežne. Ta članek predstavlja postopke sintranja, ki učinkovito izboljšajo gostoto in celovite mehanske lastnosti keramike iz silicijevega nitrida.
Običajne metode sintranja Si₃N₄ keramike
Primerjava učinkovitosti Si₃N₄ keramike, pripravljene z različnimi metodami sintranja
1. Reaktivno sintranje (RS):Reaktivno sintranje je bila prva metoda, uporabljena za industrijsko pripravo Si₃N₄ keramike. Je preprost, stroškovno učinkovit in zmožen oblikovanja kompleksnih oblik. Vendar pa ima dolg proizvodni cikel, ki ni primeren za proizvodnjo v industrijskem obsegu.
2. Breztlačno sintranje (PLS):To je najbolj osnovni in preprost postopek sintranja. Vendar pa zahteva visokokakovostne surovine Si₃N₄ in pogosto povzroči keramiko z manjšo gostoto, znatnim krčenjem in nagnjenostjo k razpokanju ali deformaciji.
3. Vroče stiskanje (HP):Uporaba enoosnega mehanskega tlaka poveča gonilno silo za sintranje, kar omogoča proizvodnjo goste keramike pri temperaturah, ki so 100–200 °C nižje od tistih, ki se uporabljajo pri sintranju brez tlaka. Ta metoda se običajno uporablja za izdelavo relativno enostavne keramike v obliki blokov, vendar je težko izpolniti zahteve glede debeline in oblike za substratne materiale.
4. Sintranje s plazemsko iskro (SPS):Za SPS je značilno hitro sintranje, prečiščenost zrn in znižane temperature sintranja. Vendar SPS zahteva znatne naložbe v opremo, priprava Si₃N4 keramike z visoko toplotno prevodnostjo prek SPS pa je še vedno v poskusni fazi in še ni industrializirana.
5. Sintranje pod tlakom plina (GPS):Z uporabo tlaka plina ta metoda zavira razgradnjo keramike in izgubo teže pri visokih temperaturah. Enostavnejša je izdelava keramike visoke gostote in omogoča serijsko proizvodnjo. Vendar se pri enostopenjskem procesu sintranja pod plinskim tlakom težko proizvede strukturne komponente z enotno notranjo in zunanjo barvo in strukturo. Uporaba dvostopenjskega ali večstopenjskega postopka sintranja lahko znatno zmanjša intergranularno vsebnost kisika, izboljša toplotno prevodnost in izboljša splošne lastnosti.
Vendar pa je visoka temperatura sintranja dvostopenjskega sintranja s plinskim tlakom povzročila, da so se prejšnje raziskave osredotočile predvsem na pripravo keramičnih substratov Si₃N4 z visoko toplotno prevodnostjo in upogibno trdnostjo pri sobni temperaturi. Raziskave Si₃N₄ keramike z obsežnimi mehanskimi lastnostmi in mehanskimi lastnostmi pri visokih temperaturah so razmeroma omejene.
Dvostopenjska metoda sintranja s plinskim tlakom za Si₃N4
Yang Zhou in sodelavci s tehnološke univerze v Chongqingu so uporabili sistem za pomoč pri sintranju 5 mas. % Yb₂O3 + 5 mas. % Al2O3 za pripravo keramike Si3N4 z uporabo enostopenjskega in dvostopenjskega sintranja s plinskim tlakom pri 1800 °C. Keramika Si₃N4, proizvedena z dvostopenjskim postopkom sintranja, je imela večjo gostoto in boljše celovite mehanske lastnosti. V nadaljevanju so povzeti učinki enostopenjskega in dvostopenjskega sintranja pod tlakom plina na mikrostrukturo in mehanske lastnosti keramičnih komponent Si₃N₄.
Gostota Postopek zgoščevanja Si₃N4 običajno vključuje tri stopnje, s prekrivanjem med stopnjami. Prva stopnja, prerazporeditev delcev, in druga stopnja, raztapljanje-obarjanje, sta najbolj kritični stopnji za zgoščevanje. Zadosten reakcijski čas v teh fazah znatno izboljša gostoto vzorca. Ko je temperatura predsintranja za dvostopenjski postopek sintranja nastavljena na 1600 °C, zrna β-Si₃N4 tvorijo ogrodje in ustvarjajo zaprte pore. Po predhodnem sintranju nadaljnje segrevanje pri visoki temperaturi in tlaku dušika spodbuja pretok tekoče faze in polnjenje, kar pomaga odstraniti zaprte pore, kar dodatno izboljša gostoto Si₃N₄ keramike. Zato imajo vzorci, proizvedeni z dvostopenjskim postopkom sintranja, večjo gostoto in relativno gostoto kot tisti, proizvedeni z enostopenjskim sintranjem.
Faza in mikrostruktura Med enostopenjskim sintranjem je čas, ki je na voljo za prerazporeditev delcev in difuzijo mej zrn, omejen. V dvostopenjskem procesu sintranja se prvi korak izvaja pri nizki temperaturi in nizkem tlaku plina, kar podaljša čas prerazporeditve delcev in povzroči večja zrna. Temperatura se nato zviša na stopnjo visoke temperature, kjer zrna še naprej rastejo skozi Ostwaldov proces zorenja, kar daje Si₃N₄ keramiko z visoko gostoto.
Mehanske lastnosti Mehčanje intergranularne faze pri visokih temperaturah je glavni razlog za zmanjšano trdnost. Pri enostopenjskem sintranju nenormalna rast zrn ustvari majhne pore med zrni, kar preprečuje znatno izboljšanje trdnosti pri visokih temperaturah. Vendar pa v dvostopenjskem procesu sintranja steklena faza, enakomerno porazdeljena na mejah zrn, in enakomerno velika zrna povečajo medzrnsko trdnost, kar ima za posledico večjo upogibno trdnost pri visokih temperaturah.
Skratka, dolgotrajno zadrževanje med enostopenjskim sintranjem lahko učinkovito zmanjša notranjo poroznost in doseže enotno notranjo barvo in strukturo, lahko pa povzroči nenormalno rast zrn, ki poslabša nekatere mehanske lastnosti. Z uporabo dvostopenjskega postopka sintranja – z uporabo nizkotemperaturnega predsintranja za podaljšanje časa prerazporeditve delcev in visokotemperaturnega zadrževanja za spodbujanje enakomerne rasti zrn – Si₃N₄ keramika z relativno gostoto 98,25 %, enakomerno mikrostrukturo in odličnimi celovitimi mehanskimi lastnostmi lahko uspešno pripravimo.
| Ime | Substrat | Sestava epitaksialne plasti | Epitaksialni postopek | Epitaksialni medij |
| Silicijev homoepitaksialni | Si | Si | Parnofazna epitaksija (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silicijev heteroepitaksialni | Safir ali spinel | Si | Parnofazna epitaksija (VPE) | SiH₄+H₂ |
| Homoepitaksialni GaAs | GaAs | GaAs GaAs | Parnofazna epitaksija (VPE) | AsCl3+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaksija z molekularnim žarkom (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksialni | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaksija v tekoči fazi (LPE) Parna faza (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CH1+H2 |
| GaP homoepitaksialno | GaP | GaP(GaP;N) | Epitaksija v tekoči fazi (LPE) Epitaksija v tekoči fazi (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supermreža | GaAs | GaAlAs/GaAs (cikel) | Epitaksija z molekularnim žarkom (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksialno | InP | InP | Parnofazna epitaksija (VPE) Epitaksija v tekoči fazi (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksija | Si | GaAs | Epitaksija z molekularnim žarkom (MBE) MOGVD | Ga、As GaR3+AsH3+H2 |
Čas objave: 24. december 2024