Кераміка з нітриду кремнію (Si₃N₄), як вдосконалена конструкційна кераміка, має чудові властивості, такі як стійкість до високих температур, висока міцність, висока в'язкість, висока твердість, стійкість до повзучості, стійкість до окислення та зносостійкість. Крім того, вони мають гарну стійкість до термічного удару, діелектричні властивості, високу теплопровідність і відмінні характеристики передачі електромагнітних хвиль високої частоти. Ці видатні комплексні властивості дозволяють широко використовувати їх у складних конструкційних компонентах, особливо в аерокосмічній та інших галузях високих технологій.
Однак Si₃N4, будучи сполукою з міцними ковалентними зв'язками, має стабільну структуру, що ускладнює спікання до високої щільності лише через дифузію в твердому тілі. Щоб сприяти спіканню, додають допоміжні речовини для спікання, такі як оксиди металів (MgO, CaO, Al₂O₃) і оксиди рідкоземельних елементів (Yb₂O3, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), щоб полегшити ущільнення за допомогою рідкофазного механізму спікання.
Зараз глобальна технологія напівпровідникових пристроїв просувається до вищих напруг, більших струмів і більшої густини потужності. Дослідження методів виготовлення Si₃N₄ кераміки є великими. У цій статті представлені процеси спікання, які ефективно покращують щільність і комплексні механічні властивості кераміки з нітриду кремнію.
Загальні методи спікання Si₃N₄ кераміки
Порівняння продуктивності кераміки Si₃N₄, отриманої різними методами спікання
1. Реактивне спікання (RS):Реактивне спікання було першим методом, використаним для промислового виготовлення Si₃N₄ кераміки. Він простий, економічний і здатний формувати складні форми. Однак він має тривалий цикл виробництва, що не сприяє промисловому виробництву.
2. Спікання без тиску (PLS):Це самий базовий і простий процес спікання. Однак це вимагає високоякісної сировини Si₃N₄ і часто призводить до кераміки з меншою щільністю, значною усадкою та схильністю до розтріскування або деформації.
3. Спікання гарячим пресом (HP):Застосування одновісного механічного тиску збільшує рушійну силу для спікання, дозволяючи виготовляти щільну кераміку при температурах на 100-200 °C нижчих, ніж ті, що використовуються при спіканні без тиску. Цей метод зазвичай використовується для виготовлення відносно простих керамічних виробів у формі блоку, але важко задовольнити вимоги щодо товщини та форми для матеріалів підкладки.
4. Іскрове плазмове спікання (SPS):SPS характеризується швидким спіканням, подрібненням зерна та зниженими температурами спікання. Однак SPS вимагає значних інвестицій в обладнання, а виготовлення кераміки Si₃N4 з високою теплопровідністю за допомогою SPS все ще знаходиться на експериментальній стадії та ще не промислово розроблено.
5. Спікання під тиском газу (GPS):Застосовуючи тиск газу, цей метод перешкоджає розкладанню кераміки та втраті ваги за високих температур. Простіше виробляти кераміку високої щільності та можливе серійне виробництво. Однак одноетапний процес спікання під тиском газу не дозволяє отримати структурні компоненти з однорідним внутрішнім і зовнішнім кольором і структурою. Використання двостадійного або багатоетапного процесу спікання може значно зменшити міжкристалічний вміст кисню, покращити теплопровідність і покращити загальні властивості.
Однак висока температура спікання двоетапного спікання під тиском газу змусила попередні дослідження зосередитися головним чином на підготовці керамічних підкладок Si₃N4 з високою теплопровідністю та міцністю на вигин при кімнатній температурі. Дослідження Si₃N₄ кераміки з комплексними механічними властивостями та високотемпературними механічними властивостями відносно обмежені.
Двоступеневий метод спікання під тиском газу для Si₃N₄
Ян Чжоу та його колеги з Технологічного університету Чунціна використовували систему спікання 5 мас.% Yb₂O₃ + 5 мас.% Al₂O₃ для виготовлення Si₃N4 кераміки з використанням одноетапного та двоетапного процесів спікання під тиском газу при 1800°C. Si₃N₄ кераміка, отримана за допомогою двоетапного процесу спікання, мала вищу щільність і кращі повні механічні властивості. Нижче наведено короткий опис впливу одноетапного та двоетапного процесів спікання під тиском газу на мікроструктуру та механічні властивості Si₃N₄ керамічних компонентів.
Щільність Процес ущільнення Si₃N4 зазвичай включає три стадії з перекриттям між стадіями. Перша стадія, перегрупування частинок, і друга стадія, розчинення-осадження, є найбільш критичними стадіями ущільнення. Достатній час реакції на цих етапах значно покращує щільність зразка. Коли температура попереднього спікання для двоетапного процесу спікання встановлена на 1600°C, зерна β-Si₃N4 утворюють каркас і створюють закриті пори. Після попереднього спікання подальше нагрівання під високою температурою та тиском азоту сприяє потоку рідкої фази та наповненню, що допомагає усунути закриті пори, ще більше покращуючи щільність Si₃N₄ кераміки. Таким чином, зразки, отримані шляхом двоетапного процесу спікання, демонструють вищу щільність і відносну щільність, ніж зразки, отримані шляхом одноетапного спікання.
Фаза та мікроструктура Під час одноетапного спікання час, доступний для перегрупування частинок і дифузії між зернами, обмежений. У двоетапному процесі спікання перший етап проводиться при низькій температурі та низькому тиску газу, що подовжує час перегрупування частинок і призводить до більших зерен. Потім температуру підвищують до високотемпературної стадії, де зерна продовжують рости в процесі дозрівання Оствальда, даючи кераміку високої щільності Si₃N₄.
Механічні властивості Розм'якшення міжзеренної фази при високих температурах є основною причиною зниження міцності. При одноетапному спіканні ненормальний ріст зерна створює маленькі пори між зернами, що перешкоджає значному покращенню високотемпературної міцності. Однак у двостадійному процесі спікання скляна фаза, рівномірно розподілена по межах зерен, і зерна однакового розміру підвищують міжкристальну міцність, що призводить до вищої високотемпературної міцності на вигин.
Підсумовуючи, тривале витримування під час одноетапного спікання може ефективно зменшити внутрішню пористість і досягти рівномірного внутрішнього кольору та структури, але може призвести до аномального росту зерен, що погіршує певні механічні властивості. Застосовуючи двоетапний процес спікання — з використанням низькотемпературного попереднього спікання для подовження часу перегрупування частинок і витримки при високій температурі для сприяння рівномірному росту зерна — Si₃N4-кераміка з відносною щільністю 98,25%, рівномірною мікроструктурою та чудовими комплексними механічними властивостями можна успішно підготувати.
| Ім'я | Підкладка | Склад епітаксійного шару | Епітаксіальний процес | Епітаксіальне середовище |
| Кремнієвий гомоепітаксіальний | Si | Si | Парофазова епітаксія (VPE) | SiCl4+H2 |
| Кремнієвий гетероепітаксіальний | Сапфір або шпінель | Si | Парофазова епітаксія (VPE) | SiH₄+H₂ |
| Гомоепітаксіальний GaAs | GaAs | GaAs GaAs | Парофазова епітаксія (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Молекулярно-променева епітаксія (MBE) | Ga+As | |
| Гетероепітаксіальний GaAs | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Рідкофазна епітаксія (LPE) Парова фаза (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CH1+H2 |
| Гомоепітаксіальний GaP | GaP | GaP(GaP;N) | Рідкофазна епітаксія (LPE) Рідкофазна епітаксія (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Надґратка | GaAs | GaAlAs/GaAs (цикл) | Молекулярно-променева епітаксія (MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP гомоепітаксіальний | InP | InP | Парофазова епітаксія (VPE) Рідкофазна епітаксія (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs епітаксія | Si | GaAs | Молекулярно-променева епітаксія (MBE) МОГВД | Ga、As GaR₃+AsH3+H₂ |
Час публікації: 24 грудня 2024 р