Keramika z nitridu křemíku (Si3N4) jako pokročilá strukturální keramika má vynikající vlastnosti, jako je odolnost proti vysokým teplotám, vysoká pevnost, vysoká houževnatost, vysoká tvrdost, odolnost proti tečení, odolnost proti oxidaci a odolnost proti opotřebení. Kromě toho nabízejí dobrou odolnost proti tepelným šokům, dielektrické vlastnosti, vysokou tepelnou vodivost a vynikající přenos vysokofrekvenčních elektromagnetických vln. Díky těmto vynikajícím komplexním vlastnostem jsou široce používány ve složitých konstrukčních součástech, zejména v letectví a dalších oblastech špičkových technologií.
Avšak Si3N4, což je sloučenina se silnými kovalentními vazbami, má stabilní strukturu, která ztěžuje slinování na vysokou hustotu samotnou difúzí v pevném stavu. Pro podporu slinování se přidávají pomocné slinovací přísady, jako jsou oxidy kovů (MgO, CaO, Al2O3) a oxidy vzácných zemin (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO₂), aby se usnadnilo zhuštění mechanismem slinování v kapalné fázi.
V současné době celosvětová technologie polovodičových zařízení postupuje směrem k vyšším napětím, větším proudům a větší hustotě výkonu. Výzkum metod výroby Si3N4 keramiky je rozsáhlý. Tento článek představuje procesy slinování, které účinně zlepšují hustotu a komplexní mechanické vlastnosti keramiky z nitridu křemíku.
Běžné metody slinování pro Si3N4 keramiku
Srovnání vlastností Si3N4 keramiky připravené různými metodami slinování
1. Reaktivní slinování (RS):Reaktivní slinování bylo první metodou použitou k průmyslové přípravě Si3N4 keramiky. Je jednoduchý, cenově výhodný a dokáže tvořit složité tvary. Má však dlouhý výrobní cyklus, který neprospívá průmyslové výrobě.
2. Beztlakové slinování (PLS):Toto je nejzákladnější a nejjednodušší proces slinování. Vyžaduje však vysoce kvalitní Si3N4 suroviny a často má za následek keramiku s nižší hustotou, výrazným smrštěním a tendencí k praskání nebo deformaci.
3. Slinování za tepla (HP):Použití jednoosého mechanického tlaku zvyšuje hnací sílu pro slinování, což umožňuje výrobu hutné keramiky při teplotách o 100-200 °C nižších, než jsou teploty používané při beztlakovém slinování. Tato metoda se typicky používá pro výrobu relativně jednoduché keramiky ve tvaru bloku, ale je obtížné splnit požadavky na tloušťku a tvar substrátových materiálů.
4. Jiskrové plazmové slinování (SPS):SPS se vyznačuje rychlým slinováním, zjemňováním zrna a sníženými teplotami slinování. SPS však vyžaduje značné investice do zařízení a příprava keramiky Si33N4 s vysokou tepelnou vodivostí pomocí SPS je stále ve fázi experimentu a dosud nebyla industrializována.
5. Plynové slinování (GPS):Použitím tlaku plynu tato metoda zabraňuje rozkladu keramiky a ztrátě hmotnosti při vysokých teplotách. Je jednodušší vyrábět keramiku s vysokou hustotou a umožňuje sériovou výrobu. Jednostupňový proces tlakového plynového slinování však má potíže s výrobou konstrukčních součástí s jednotnou vnitřní a vnější barvou a strukturou. Použití dvoustupňového nebo vícestupňového procesu slinování může výrazně snížit obsah mezikrystalového kyslíku, zlepšit tepelnou vodivost a zlepšit celkové vlastnosti.
Vysoká slinovací teplota dvoustupňového tlakového slinování však vedla předchozí výzkum k tomu, že se zaměřil především na přípravu Si3N4 keramických substrátů s vysokou tepelnou vodivostí a pevností v ohybu při pokojové teplotě. Výzkum Si₃N4 keramiky s komplexními mechanickými vlastnostmi a vysokoteplotními mechanickými vlastnostmi je poměrně omezený.
Dvoustupňová metoda slinování s tlakem plynu pro Si3N4
Yang Zhou a kolegové z Chongqing University of Technology použili slinovací pomocný systém 5 % hmotn. Yb203 + 5 % hmotn. Al203 k přípravě keramiky Si33N4 za použití jednostupňového i dvoustupňového procesu slinování za tlaku plynu při 1800 °C. Keramika Si3N4 vyrobená dvoustupňovým procesem slinování měla vyšší hustotu a lepší komplexní mechanické vlastnosti. V následujícím textu jsou shrnuty účinky jednostupňových a dvoustupňových procesů slinování za tlaku plynu na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti keramických součástí Si3N4.
Hustota Proces zhušťování Si33N4 typicky zahrnuje tři stupně, přičemž se stupně překrývají. První stupeň, přeskupení částic, a druhý stupeň, rozpouštění-precipitace, jsou nejkritičtějšími stupni pro zhušťování. Dostatečná reakční doba v těchto fázích výrazně zlepšuje hustotu vzorku. Když je teplota předslinování pro dvoukrokový proces slinování nastavena na 1600°C, zrna β-Si3N4 tvoří kostru a vytvářejí uzavřené póry. Po předslinování podporuje další zahřívání pod vysokou teplotou a tlakem dusíku tok a plnění v kapalné fázi, což pomáhá eliminovat uzavřené póry a dále zlepšuje hustotu keramiky Si3N4. Proto vzorky vyrobené dvoustupňovým slinovacím procesem vykazují vyšší hustotu a relativní hustotu než vzorky vyrobené jednostupňovým slinováním.
Fáze a mikrostruktura Během jednokrokového slinování je čas dostupný pro přeskupení částic a difúzi po hranicích zrn omezený. U dvoufázového slinovacího procesu se první krok provádí při nízké teplotě a nízkém tlaku plynu, což prodlužuje dobu přeskupování částic a vede k větším zrnům. Teplota se poté zvýší na vysokoteplotní stupeň, kde zrna pokračují v růstu během Ostwaldova procesu zrání, čímž se získá keramika Si33N4 s vysokou hustotou.
Mechanické vlastnosti Primárním důvodem snížení pevnosti je měknutí mezikrystalové fáze při vysokých teplotách. Při jednokrokovém slinování abnormální růst zrn vytváří mezi zrny malé póry, které brání výraznému zlepšení pevnosti při vysokých teplotách. Ve dvoustupňovém procesu slinování však skleněná fáze, rovnoměrně rozložená v hranicích zrn, a zrna o stejné velikosti zvyšují mezikrystalovou pevnost, což má za následek vyšší pevnost v ohybu za vysokých teplot.
Závěrem lze říci, že prodloužená výdrž během jednokrokového slinování může účinně snížit vnitřní pórovitost a dosáhnout jednotné vnitřní barvy a struktury, ale může vést k abnormálnímu růstu zrn, který zhoršuje určité mechanické vlastnosti. Použitím dvoustupňového procesu slinování – s použitím nízkoteplotního předběžného slinování k prodloužení doby přeskupení částic a udržování při vysoké teplotě k podpoře rovnoměrného růstu zrn – keramika Si3N4 s relativní hustotou 98,25 %, rovnoměrnou mikrostrukturou a vynikajícími komplexními mechanickými vlastnostmi lze úspěšně připravit.
| Jméno | Substrát | Složení epitaxní vrstvy | Epitaxní proces | Epitaxní médium |
| Silikonový homoepitaxní | Si | Si | Epitaxe v parní fázi (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silikonový heteroepitaxní | Safír nebo spinel | Si | Epitaxe v parní fázi (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homoepitaxní | GaAs | GaAs GaAs | Epitaxe v parní fázi (VPE) | AsCl3+Ga+H2 (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaxe molekulárního paprsku (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxní | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaxe v kapalné fázi (LPE) Parní fáze (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+Popel3+ PH3+CH1+H2 |
| GaP homoepitaxní | Mezera | GaP(GaP;N) | Epitaxe v kapalné fázi (LPE) Epitaxe v kapalné fázi (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supermřížka | GaAs | GaAlAs/GaAs (cyklus) | Epitaxe molekulárního paprsku (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxní | InP | InP | Epitaxe v parní fázi (VPE) Epitaxe v kapalné fázi (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaxe | Si | GaAs | Epitaxe molekulárního paprsku (MBE) MOGVD | Ga, As GaR3+AsH3+H2 |
Čas odeslání: 24. prosince 2024