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        高导热碳化硅陶瓷在半导体领域的需求及应用
        日期:2023-10-09    浏览次数:
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          目前碳化硅(SiC)是国内外研究较为活跃的导热陶瓷材料。SiC的理论热导率非常高,有些晶型可达到270W/mK,在非导电材料中已属佼佼者。例如,在半导体器件的基底材料、高导热陶瓷材料、半导体加工的加热器和加热板、核燃料的胶囊材料以及压缩机泵的气密封环中,都可以看到SiC导热性能的应用。

        化硅在半导体领域的应用

          研磨盘、夹具均是半导体工业中硅晶片生产的重要工艺装备。研磨盘若使用铸铁或碳钢材料,其使用寿命短、热膨胀系数大,在加工硅晶片过程中,特别是高速研磨或抛光时,由于研磨盘的磨损和热变形,使硅晶片的平面度和平行度难以保证。采用碳化硅陶瓷的研磨盘由于硬度高而磨损小,且热膨胀系数与硅晶片基本相同,因而可以高速研磨抛光。

        高导热碳化硅陶瓷在半导体领域的需求及应用

        ▲(a)研磨盘;(b)夹具

          另外,在硅晶片生产时,需要经过高温热处理,常使用碳化硅夹具运输,其耐热、无损,可在表面涂敷类金刚石DLC)等涂层,可增强性能,缓解晶片损坏,同时防止污染扩散。

          此外,作为第三代宽带隙半导体材料的代表,碳化硅单晶材料具有禁带宽度大(约为Si的3倍)、热导率高(约为Si的3.3倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(约为Si的2.5倍)和击穿电场高(约为Si的10倍或GaAs的5倍)等性质。SiC器件弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷,正逐渐成为功率半导体的主流。

        高导热碳化硅陶瓷的需求量急剧增长

          随着科技的不断发展,碳化硅陶瓷在半导体领域的应用需求量急剧增长,而高热导率是其应用于半导体制造设备元器件的关键指标,因此加强高导热碳化硅陶瓷的研究至关重要。减少晶格氧含量、提高致密性、合理调控第二相在晶格中的分布方式是提高碳化硅陶瓷热导率的主要方法。

          目前,我国有关高导热碳化硅陶瓷的研究较少,且与世界水平相比尚存在较大差距,今后的研究方向包括:

          加强碳化硅陶瓷粉体的制备工艺研究,高纯、低氧碳化硅粉的制备是实现高热导率碳化硅陶瓷制备的基础;

          加强烧结助剂的选择及其相关理论研究;

          加强高端烧结装备的研发,通过调控烧结工艺得到合理的显微结构是获得高热导率碳化硅陶瓷的必备条件。

        提升碳化硅陶瓷热导率的措施

          SiC陶瓷热导率的关键是降低声子散射频率,提升声子平均自由程。通过降低SiC陶瓷的气孔率和晶界密度、提升SiC晶界纯洁度、减少SiC晶格杂质或晶格缺陷、增加SiC中热流传输载体将有效提升SiC的热导率。目前,优化烧结助剂种类及含量、高温热处理等是改善SiC陶瓷热导率的主要措施。

          ①优化烧结助剂种类及含量

        制备高导热SiC陶瓷时常需添加各种烧结助剂。其中,烧结助剂的种类及含量对SiC陶瓷热导率的影响较大,如Al2O3体系烧结助剂中的Al或O元素易固溶进SiC晶格,产生空位和缺陷,导致声子散射频率增大。此外,若烧结助剂含量较低,材料难以烧结致密化,而烧结助剂含量较高将导致杂质和缺陷增多,过量液相烧结助剂还可能抑制SiC晶粒长大,降低声子平均自由程。因此,为制备得到高导热SiC陶瓷,需在满足其烧结致密的前提下尽可能减少烧结助剂含量,且尽量选择难溶于SiC晶格的烧结助剂。

        ▼添加不同烧结助剂时SiC陶瓷的热学性能

        高导热碳化硅陶瓷在半导体领域的需求及应用
         

          目前,以BeO为烧结助剂的热压烧结SiC陶瓷具有最大常温热导率(270W·m-1·K-1)。但BeO为剧毒材料且具有致癌性,不适合实验室或工业领域的广泛应用。Y2O3-Al2O3体系的最低共熔点为1760℃,是SiC陶瓷常见的液相烧结助剂,但由于Al3+易固溶进SiC晶格,因此以该体系为烧结助剂时,SiC陶瓷的常温热导率均小于200W·m-1·K-1。

          Y,Sm,Sc,Gd和La等稀土元素不易溶于SiC晶格,且具有较高氧亲和力,能有效降低SiC晶格氧含量,因此Y2O3-RE2O3(RE=Sm,Sc,Gd,La)体系是制备高导热(>200W·m-1·K-1)SiC陶瓷的常用烧结助剂。以Y2O3-Sc2O3体系烧结助剂为例,Y3+与Si4+的离子偏差值较大,两者不发生固溶,而1800~2600℃下Sc在纯SiC中的溶解度较小,约为(2~3)×1017atoms·cm-3。

          ②高温热处理

          对SiC陶瓷进行高温热处理,有利于消除晶格缺陷、位错和残余应力,促进材料中部分非晶体向晶体的结构转变,减弱声子散射作用。此外,高温热处理可有效促进SiC晶粒生长,最终提升材料的热学性能,如SiC陶瓷经1950℃高温热处理后,其热扩散系数由83.03mm2·s-1增加至89.50mm2·s-1,常温热导率由180.94W·m-1·K-1增加至192.17W·m-1·K-1。高温热处理有效改善了烧结助剂对SiC表面及晶格的除氧能力,并使SiC晶粒间连接更紧密。经高温热处理后,SiC陶瓷的常温热导率得到了明显提升。