Кремний нитриді (Si₃N₄) керамика жетілдірілген құрылымдық керамика ретінде жоғары температураға төзімділік, жоғары беріктік, жоғары қаттылық, жоғары қаттылық, сусымалы төзімділік, тотығуға төзімділік және тозуға төзімділік сияқты тамаша қасиеттерге ие. Сонымен қатар, олар жақсы термиялық соққыға төзімділік, диэлектрлік қасиеттер, жоғары жылу өткізгіштік және жоғары жиілікті электромагниттік толқындарды берудің тамаша өнімділігін ұсынады. Бұл керемет жан-жақты қасиеттер оларды күрделі құрылымдық компоненттерде, әсіресе аэроғарыштық және басқа да жоғары технологиялық салаларда кеңінен қолдануға мүмкіндік береді.
Алайда, Si₃N₄ күшті коваленттік байланыстары бар қосылыс бола отырып, тек қатты дененің диффузиясы арқылы жоғары тығыздыққа агломерацияны қиындататын тұрақты құрылымға ие. Агломерацияны ынталандыру үшін сұйық фазалық агломерациялау механизмі арқылы тығыздауды жеңілдету үшін металл оксидтері (MgO, CaO, Al₂O₃) және сирек жер оксидтері (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) сияқты агломерациялық көмекшілер қосылады.
Қазіргі уақытта жаһандық жартылай өткізгіш құрылғылар технологиясы жоғары кернеулерге, үлкен токтарға және үлкен қуат тығыздығына қарай ілгерілеуде. Si₃N₄ керамикасын жасау әдістерін зерттеу ауқымды. Бұл мақала кремний нитриді керамикасының тығыздығы мен жан-жақты механикалық қасиеттерін тиімді жақсартатын агломерация процестерімен таныстырады.
Si₃N₄ керамикаға арналған жалпы агломерациялау әдістері
Әртүрлі агломерация әдістерімен дайындалған Si₃N₄ керамиканың өнімділігін салыстыру
1. Реактивті агломерация (RS):Реактивті агломерация Si₃N₄ керамикасын өнеркәсіптік түрде дайындаудың бірінші әдісі болды. Бұл қарапайым, үнемді және күрделі пішіндерді қалыптастыруға қабілетті. Дегенмен, оның ұзақ өндірістік циклі бар, бұл өнеркәсіптік ауқымдағы өндіріске қолайлы емес.
2. Қысымсыз агломерация (PLS):Бұл агломерациялаудың ең қарапайым және қарапайым процесі. Дегенмен, ол жоғары сапалы Si₃N₄ шикізатын қажет етеді және көбінесе төменгі тығыздығы, айтарлықтай шөгуі және жарылуы немесе деформациялану үрдісі бар керамикаға әкеледі.
3. Ыстық пресспен агломерациялау (HP):Бір осьті механикалық қысымды қолдану агломерацияның қозғаушы күшін арттырады, тығыз керамика қысымсыз агломерацияда қолданылатынға қарағанда 100-200°С төмен температурада алуға мүмкіндік береді. Бұл әдіс әдетте салыстырмалы түрде қарапайым блок тәрізді керамика жасау үшін қолданылады, бірақ субстрат материалдарының қалыңдығы мен пішініне қойылатын талаптарды қанағаттандыру қиын.
4. Spark плазмалық агломерация (SPS):SPS жылдам агломерациямен, дәнді тазартумен және агломерация температурасының төмендеуімен сипатталады. Дегенмен, SPS жабдыққа айтарлықтай инвестицияны қажет етеді және SPS арқылы жоғары жылу өткізгіш Si₃N₄ керамикасын дайындау әлі де тәжірибелік сатыда және әлі индустрияландырылмаған.
5. Газ қысымымен агломерациялау (GPS):Газ қысымын қолдану арқылы бұл әдіс керамикалық ыдырауды және жоғары температурада салмақ жоғалтуды тежейді. Тығыздығы жоғары керамикалық бұйымдарды шығару оңайырақ және сериялық өндіріске мүмкіндік береді. Дегенмен, бір сатылы газ қысымымен агломерациялау процесі біркелкі ішкі және сыртқы түсі мен құрылымы бар құрылымдық компоненттерді алу үшін күреседі. Екі сатылы немесе көп сатылы агломерациялық процесті пайдалану түйіршік аралық оттегінің мазмұнын айтарлықтай азайтуға, жылу өткізгіштігін жақсартуға және жалпы қасиеттерді жақсартуға мүмкіндік береді.
Дегенмен, екі сатылы газ қысымымен агломерациялаудың жоғары агломерация температурасы алдыңғы зерттеулерде негізінен жылу өткізгіштігі жоғары және бөлме температурасында иілу беріктігі бар Si₃N₄ керамикалық негіздерді дайындауға бағытталды. Жан-жақты механикалық қасиеттері және жоғары температуралық механикалық қасиеттері бар Si₃N₄ керамика бойынша зерттеулер салыстырмалы түрде шектеулі.
Si₃N₄ үшін газ қысымды екі сатылы агломерация әдісі
Ян Чжоу және Чунцин технологиялық университетінің әріптестері 1800°C температурада бір сатылы және екі сатылы газ қысымымен агломерациялау процестерін қолдана отырып, Si₃N₄ керамика дайындау үшін салмағы 5% Yb₂O₃ + 5 масс.% Al₂O₃ агломерациялық көмек жүйесін пайдаланды. Екі сатылы агломерация процесі арқылы өндірілген Si₃N₄ керамика тығыздығы жоғары және механикалық қасиеттері жақсырақ болды. Төменде Si₃N₄ керамикалық компоненттердің микроқұрылымы мен механикалық қасиеттеріне бір сатылы және екі сатылы газ қысымымен агломерациялау процестерінің әсері жинақталған.
Тығыздық Si₃N₄ тығыздау процесі әдетте кезеңдердің бір-біріне сәйкес келуімен үш кезеңді қамтиды. Бірінші кезең - бөлшектердің қайта орналасуы және екінші кезең - еру - тұнба - тығыздаудың ең маңызды кезеңдері. Осы кезеңдердегі жеткілікті реакция уақыты үлгі тығыздығын айтарлықтай жақсартады. Екі сатылы агломерациялық процесс үшін агломерация алдындағы температура 1600°C-қа орнатылғанда, β-Si₃N₄ түйіршіктері қаңқаны құрайды және тұйық тесіктер жасайды. Алдын ала агломерациядан кейін жоғары температурада және азот қысымында одан әрі қыздыру сұйық фазалық ағынды және толтыруды жақсартады, бұл жабық тесіктерді жоюға көмектеседі, Si₃N₄ керамика тығыздығын одан әрі жақсартады. Сондықтан екі сатылы агломерациялау процесі арқылы алынған үлгілер бір сатылы агломерациямен алынған үлгілерге қарағанда жоғары тығыздық пен салыстырмалы тығыздықты көрсетеді.
Фаза және микроқұрылым Бір сатылы агломерация кезінде бөлшектердің қайта реттелуі және түйір шекарасының диффузиясы үшін қолжетімді уақыт шектеулі. Екі сатылы агломерация процесінде бірінші қадам төмен температурада және төмен газ қысымында жүргізіледі, бұл бөлшектердің қайта орналасу уақытын ұзартады және үлкен түйіршіктерге әкеледі. Содан кейін температура жоғары температура сатысына дейін көтеріледі, онда дәндер Оствальд пісу процесі арқылы өсуін жалғастырып, тығыздығы жоғары Si₃N₄ керамика береді.
Механикалық қасиеттері Жоғары температурада түйіршікаралық фазаның жұмсаруы беріктіктің төмендеуінің негізгі себебі болып табылады. Бір сатылы агломерацияда дәннің қалыптан тыс өсуі дәндер арасында ұсақ тесіктер жасайды, бұл жоғары температура беріктігінің айтарлықтай жақсаруына жол бермейді. Дегенмен, екі сатылы агломерация процесінде астық шекараларында біркелкі бөлінген шыны фаза және біркелкі өлшемді түйіршіктер түйіршікаралық беріктікті арттырады, нәтижесінде жоғары температурада иілу беріктігі жоғарылайды.
Қорытындылай келе, бір сатылы агломерация кезінде ұзақ ұстау ішкі кеуектілікті тиімді төмендетеді және біркелкі ішкі түс пен құрылымға қол жеткізе алады, бірақ кейбір механикалық қасиеттерді төмендететін дәннің қалыптан тыс өсуіне әкелуі мүмкін. Екі сатылы агломерация процесін қолдану арқылы — бөлшектердің қайта реттелу уақытын ұзарту үшін төмен температурада алдын ала агломерациялау және дәннің біркелкі өсуіне ықпал ету үшін жоғары температурада ұстау — салыстырмалы тығыздығы 98,25%, біркелкі микроқұрылымы және тамаша кешенді механикалық қасиеттері бар Si₃N₄ керамика. сәтті дайындалуы мүмкін.
| Аты | Субстрат | Эпитаксиальды қабаттың құрамы | Эпитаксиалды процесс | Эпитаксиалды орта |
| Кремний гомоэпитаксиалды | Si | Si | Бу фазасының эпитаксисі (VPE) | SiCl4+H2 |
| Кремний гетероэпитаксиалды | Сапфир немесе шпинель | Si | Бу фазасының эпитаксисі (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs гомоэпитаксиалды | GaAs | GaAs GaAs | Бу фазасының эпитаксисі (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Молекулярлық сәуле эпитаксисі (MBE) | Ga+As | |
| GaAs гетероэпитаксиалды | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Сұйық фазалық эпитаксия (LPE) Бу фазасы (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP гомоэпитаксиалды | GaP | GaP(GaP;N) | Сұйық фазалық эпитаксия (LPE) Сұйық фазалық эпитаксия (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Супертор | GaAs | GaAlAs/GaAs (цикл) | Молекулярлық сәуле эпитаксисі (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP гомоэпитаксиалды | InP | InP | Бу фазасының эпитаксисі (VPE) Сұйық фазалық эпитаксия (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs эпитаксисі | Si | GaAs | Молекулярлық сәуле эпитаксисі (MBE) MOGVD | Га, Ас GaR₃+AsH₃+H₂ |
Жіберу уақыты: 24 желтоқсан 2024 ж