Kísilkarbíð (SiC) keramik býður upp á einstaka hörku, mikla hitaleiðni, tæringarþol og háan-hitastöðugleika, sem gerir það að verkum að það er mikið notað í hálfleiðarabúnaði, geimferðum, kjarnorku og öðrum sviðum. Sem mjög samgilt -tengt efnasamband sýnir SiC afar lélega frumeindasjálfdreifingu- jafnvel við hitastig allt að 2100 gráður, sem gerir fulla þéttingu erfitt að ná með hefðbundnum sintunarferlum.
Miðað við þessa efnisþvingun er ólíklegt að hertutækni muni sjá truflandi bylting á næstunni. Þess vegna er fínstilling á duftgæðum við upprunann orðin hagnýtasta og -hagkvæmasta aðferðin til að bæta SiC keramikafköst. Dufteiginleikar-hreinleiki, kornastærðardreifing og kristalfasi-hefur áhrif á alla vinnslukeðjuna, þar með talið sintrun, kornvöxt og nákvæmni vinnslu. Þessi grein fer yfir hvernig lykilduftvísar hafa áhrif á endanlega keramikvöru og útlistar samsvarandi verkfræðistýringaraðferðir.
1. Hreinleiki: Grunnurinn að vélrænni frammistöðu
Óhreinindi í SiC dufti falla í þrjá meginflokka: málmóhreinindi (Fe, Al, Na, osfrv.), lausir kolefnis/kísilfasar og oxíðóhreinindi (aðallega SiO₂). Málmóhreinindi hafa tilhneigingu til að aðskiljast við kornamörk, mynda lekaleiðir og draga úr rafeinangrun. Frítt kolefni og frítt kísill virka sem veikir punktar í uppbyggingu og koma auðveldlega af stað sprungum. Oxíðóhreinindi brotna niður og mynda lofttegundir við há-hita sintrun, sem þjónar sem aðal uppspretta innri porosity. Þessar þrjár óhreinindagerðir rýra gæði keramiks hvað varðar rafeiginleika, vélrænan styrk og þéttingu, í sömu röð.
Rannsóknir hafa sýnt að þegar hreinleiki dufts eykst úr 96,5% í 98,8% batnar hlutfallslegur þéttleiki, beygjustyrkur, brotseigja og Vickers hörku keramiksins sem myndast verulega. Þetta er vegna þess að duft með hærra-hreinleika dregur úr óhreinindafasa með lágum-bræðslu-punkti við kornmörk, bælir óeðlilegan kornvöxt og lágmarkar grop í gasi vegna niðurbrots óhreininda, sem bætir samtímis þéttingu og einsleitni korna. Meðal þessara eiginleika er beygjustyrkur viðkvæmastur fyrir gropi og örsprungum og þar með mest fyrir áhrifum af óhreinindum.
Hálfleiðaraiðnaðurinn setur mjög strangar hreinleikakröfur á SiC keramik. Tökum fókushringinn, til dæmis-hann verður beint fyrir há-jónasprengjuárás og gastæringu sem inniheldur flúor- í plasmaætingarhólfinu. Öll snefilefni úr málmi geta leitt til oblátamengunar eða ó-jafnrar ætingar, sem þarfnast hreinleika dufts upp á 4N eða hærra. Við 4N hreinleika og hærri færist óhreinindastýring frá hefðbundinni heildarinnihaldsmælingu yfir í nákvæma skimun fyrir snefilefni-, þar sem inductive coupled plasma mass spectrometrie (ICP-MS) verður aðal greiningartækið.
2. Kornastærð og stigskipting: jafnvægi á grænu-líkamspökkun og sintunarvirkni
Duftkornastærð og breyting hafa áhrif á keramikframleiðslu á tvo megin vegu:
Annars vegar, vel-hönnuð kornastærðardreifing gerir fínum agnum kleift að fylla upp í eyðurnar á milli grófra agna og auka þéttleika myndaðs græna líkamans. Á hinn bóginn hafa fínni agnir stærra sérstakt yfirborð og meiri yfirborðsorku, sem býður upp á meiri sintunarvirkni sem getur lækkað sintunarhitastig og stytt biðtíma.
Tilraunaathuganir benda til þess að eftir því sem hlutfall fínra agna eykst umbreytist SiC-korn smám saman úr jafnáxlaðri í sexhyrnd blóðflagnaform, á meðan hlutfallslegur þéttleiki eykst fyrst og lækkar síðan og nær hámarki við um það bil 40% fínn-agnainnihald. Of lágt fínt-kornabrot skilur eftir ófullnægjandi tóm milli agna; of hátt hlutfall veldur ótímabærri þéttingu á fyrstu sintunarstigi, hindrar innri gasflæði og endurröðun agna, sem dregur að lokum úr endanlegum þéttleika. Iðnaðurinn aðhyllist nú tvíþætta kornastærðardreifingu til að koma jafnvægi á pökkunarhagkvæmni og sintunarafköstum-algengar samsetningar innihalda grófar agnir á bilinu 10–30 μm og fínar agnir á bilinu 0,5–2 μm, með hlutfallið aðlagað út frá vöruþykkt og mótunaraðferð.
Ennfremur hefur einsleitni kornastærðar bein áhrif á síðari nákvæmni vinnslu. Ef kornastærðir eru mjög mismunandi verða hertu kornastærðin einnig ó-jöfn, sem leiðir til ósamræmis í hörku við efnafræðilega fæging (CMP) og veldur rispum og holum. Fyrir hálfleiðaraíhluti með strangar kröfur um yfirborðsgæða, svo sem rafstöðueiginleikar, geta jafnvel míkron-kvarða rispur valdið frávikum í aðsogskrafti skífunnar, sem hefur bein áhrif á afköst tækisins og afköst.
3. Kristalfasi: Stjórnhnappur fyrir hitauppstreymi og rafmagns eiginleika
Yfir 200 fjölgerðir af SiC hafa verið auðkenndar, þar sem kúbískur -SiC (3C-SiC) og sexhyrndur -SiC (4H-SiC, 6H-SiC) er sá fasi sem skiptir mestu máli í iðnaði. -SiC sem breytist smám saman í lágt{10} hitastig, hár-hiti-stöðugt -SiC yfir 1800 gráður. Sintershitastig, biðtími og andrúmsloft ofnsins hafa allir áhrif á samsetningu lokafasa.
Hvað varðar sintunarhegðun sýnir -SiC, með hærri grindargallaþéttleika og yfirborðsorku, betri sintunarvirkni en -SiC. Hins vegar fylgir fasabreytingunni rúmmálsbreytingar og óviðeigandi ferlistýring getur komið fyrir örsprungum. Þess vegna verður upphafs kristalfasa duftsins að vera nákvæmlega í samræmi við hertukerfið.
Í virkni sýna fasarnir tveir greinilega mismunandi eiginleika: -SiC hefur skipulagða grindarbyggingu með veikri hljóðdreifingu, sem býður upp á yfirburða hitaleiðni og betri rafeinangrun; -SiC, með meiri gallaþéttleika, sýnir sterkari rafleiðni og tiltölulega minni hitaleiðni.
Þessi greinarmunur gerir markvissa hagnýta hönnun á keramik kleift. Hálfleiðaraætingaríhlutir þurfa miðlungs rafleiðni til að dreifa kyrrstöðuhleðslu-þannig eru samsetningar með hærra -SiC innihald oft notaðar. Hitastjórnunaríhlutir fyrir háan-hita krefjast hins vegar hámarks hitaleiðni, sem er ívilnandi fyrir hrádufti með hátt -SiC innihald. Til dæmis verða sturtuhausar í ætarbúnaði að standast tæringu í plasma á sama tíma og þeir veita fullnægjandi leiðni til að koma í veg fyrir hleðsluuppsöfnun og rafstraumsrof, þannig að þeir nota venjulega duft með hærra -SiC innihald. Aftur á móti forgangsraða háum-hitaviðurkennum fyrir LED-epitaxi varmaleiðni og því hlynnt -SiC.