Keramika od silicijum nitrida (Si₃N₄), kao napredna strukturna keramika, poseduje odlična svojstva kao što su otpornost na visoke temperature, visoka čvrstoća, visoka žilavost, visoka tvrdoća, otpornost na puzanje, otpornost na oksidaciju i otpornost na habanje. Osim toga, nude dobru otpornost na termički udar, dielektrična svojstva, visoku toplinsku provodljivost i odlične performanse prijenosa elektromagnetnih valova visoke frekvencije. Ova izvanredna sveobuhvatna svojstva čine ih širokom primjenom u složenim strukturnim komponentama, posebno u zrakoplovstvu i drugim visokotehnološkim poljima.
Međutim, Si₃N₄, kao jedinjenje sa jakim kovalentnim vezama, ima stabilnu strukturu koja otežava sinterovanje do visoke gustine samo difuzijom u čvrstom stanju. Da bi se promoviralo sinteriranje, dodaju se pomoćna sredstva za sinteriranje, kao što su oksidi metala (MgO, CaO, Al₂O₃) i oksidi rijetkih zemalja (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), kako bi se olakšalo zgušnjavanje putem mehanizma sinteriranja u tečnoj fazi.
Trenutno, globalna tehnologija poluvodičkih uređaja napreduje prema višim naponima, većim strujama i većoj gustoći snage. Istraživanja metoda za proizvodnju Si₃N₄ keramike su opsežna. Ovaj članak predstavlja procese sinterovanja koji efikasno poboljšavaju gustinu i sveobuhvatna mehanička svojstva keramike od silicijum nitrida.
Uobičajene metode sinteriranja za Si₃N₄ keramiku
Poređenje performansi za Si₃N₄ keramiku pripremljenu različitim metodama sinterovanja
1. Reaktivno sinteriranje (RS):Reaktivno sinteriranje je bila prva metoda korištena za industrijsku pripremu Si₃N₄ keramike. Jednostavan je, isplativ i sposoban za formiranje složenih oblika. Međutim, ima dug proizvodni ciklus, koji ne pogoduje industrijskoj proizvodnji.
2. Sinterovanje bez pritiska (PLS):Ovo je najosnovniji i najjednostavniji proces sinterovanja. Međutim, zahtijeva visokokvalitetne Si₃N₄ sirovine i često rezultira keramikom niže gustine, značajnog skupljanja i sklonosti pucanju ili deformaciji.
3. Hot-press Sintering (HP):Primjena jednoosnog mehaničkog pritiska povećava pokretačku silu za sinteriranje, omogućavajući proizvodnju guste keramike na temperaturama 100-200°C nižim od onih koje se koriste u sinterovanju bez pritiska. Ova metoda se obično koristi za proizvodnju relativno jednostavne keramike u obliku blokova, ali je teško ispuniti zahtjeve debljine i oblika za materijale supstrata.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS karakteriše brzo sinterovanje, rafiniranje zrna i smanjene temperature sinterovanja. Međutim, SPS zahteva značajna ulaganja u opremu, a priprema Si₃N₄ keramike visoke toplotne provodljivosti putem SPS je još uvek u eksperimentalnoj fazi i još nije industrijalizovana.
5. Sinterovanje pod pritiskom (GPS):Primjenom pritiska plina, ova metoda inhibira razgradnju keramike i gubitak težine na visokim temperaturama. Lakše se proizvodi keramika visoke gustine i omogućava serijska proizvodnja. Međutim, proces sinterovanja u jednom koraku pod pritiskom gasa se bori da proizvede strukturne komponente sa ujednačenom unutrašnjom i spoljašnjom bojom i strukturom. Korištenje procesa sinteriranja u dva ili više koraka može značajno smanjiti sadržaj intergranularnog kisika, poboljšati toplinsku provodljivost i poboljšati ukupna svojstva.
Međutim, visoka temperatura sinterovanja dvostepenog plinskog sinteriranja pod pritiskom dovela je do toga da se prethodna istraživanja fokusiraju uglavnom na pripremu Si₃N₄ keramičkih supstrata visoke toplinske provodljivosti i čvrstoće na savijanje na sobnoj temperaturi. Istraživanje Si₃N₄ keramike sa sveobuhvatnim mehaničkim svojstvima i mehaničkim svojstvima pri visokim temperaturama je relativno ograničeno.
Metoda sinteriranja u dva koraka pod pritiskom plina za Si₃N₄
Yang Zhou i kolege sa Tehnološkog univerziteta Chongqing koristili su sistem za pomoć pri sinterovanju od 5 tež.% Yb₂O₃ + 5 tež.% Al₂O₃ za pripremu Si₃N₄ keramike koristeći procese sinteriranja u jednom i dva koraka na 1800°C. Si₃N₄ keramika proizvedena postupkom sinterovanja u dva koraka imala je veću gustoću i bolja sveobuhvatna mehanička svojstva. Sljedeće sumira efekte procesa sinterovanja pod pritiskom u jednom i dva koraka na mikrostrukturu i mehanička svojstva Si₃N₄ keramičkih komponenti.
Gustina Proces zgušnjavanja Si₃N₄ obično uključuje tri faze, sa preklapanjem između faza. Prva faza, preuređenje čestica, i druga faza, otapanje-taloženje, su najkritičnije faze za zgušnjavanje. Dovoljno vrijeme reakcije u ovim fazama značajno poboljšava gustinu uzorka. Kada je temperatura predsinterovanja za proces sinterovanja u dva koraka postavljena na 1600°C, zrna β-Si₃N₄ formiraju okvir i stvaraju zatvorene pore. Nakon prethodnog sinterovanja, daljnje zagrijavanje pod visokom temperaturom i tlakom dušika pospješuje protok tečne faze i punjenje, što pomaže eliminaciji zatvorenih pora, dodatno poboljšavajući gustinu Si₃N₄ keramike. Stoga, uzorci proizvedeni postupkom sinteriranja u dva koraka pokazuju veću gustoću i relativnu gustoću od onih proizvedenih sinteriranjem u jednom koraku.
Faza i mikrostruktura Tokom sinterovanja u jednom koraku, vreme dostupno za preuređenje čestica i difuziju na granici zrna je ograničeno. U procesu sinterovanja u dva koraka, prvi korak se izvodi na niskoj temperaturi i niskom tlaku plina, što produžava vrijeme preraspodjele čestica i rezultira većim zrnima. Temperatura se zatim povećava do faze visoke temperature, gdje zrna nastavljaju rasti kroz Ostwald proces zrenja, dajući keramiku visoke gustine Si₃N₄.
Mehanička svojstva Omekšavanje intergranularne faze na visokim temperaturama je primarni razlog smanjene čvrstoće. Kod sinterovanja u jednom koraku, abnormalni rast zrna stvara male pore između zrna, što sprečava značajno poboljšanje čvrstoće pri visokim temperaturama. Međutim, u procesu sinterovanja u dva koraka, staklena faza, jednoliko raspoređena u granicama zrna, i zrna ujednačene veličine povećavaju međugranularnu čvrstoću, što rezultira većom čvrstoćom na savijanje pri visokim temperaturama.
U zaključku, produženo zadržavanje tokom sinterovanja u jednom koraku može efikasno smanjiti unutrašnju poroznost i postići ujednačenu unutrašnju boju i strukturu, ali može dovesti do abnormalnog rasta zrna, što degradira određena mehanička svojstva. Korištenjem procesa sinteriranja u dva koraka – korištenjem niskotemperaturnog prethodnog sinteriranja za produženje vremena preraspodjele čestica i držanja na visokoj temperaturi kako bi se promovirao ravnomjeran rast zrna – Si₃N₄ keramika s relativnom gustinom od 98,25%, ujednačenom mikrostrukturom i odličnim sveobuhvatnim mehaničkim svojstvima može se uspješno pripremiti.
| Ime | Supstrat | Sastav epitaksijalnog sloja | Epitaksijalni proces | Epitaksijalni medij |
| Silicijum homoepitaksijalni | Si | Si | Epitaksija parne faze (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silicijum heteroepitaksijalni | Safir ili spinel | Si | Epitaksija parne faze (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaksijalni | GaAs | GaAs GaAs | Epitaksija parne faze (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Epitaksija molekularnog zraka (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksijalni | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Epitaksija tečne faze (LPE) Parna faza (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homeepitaxial | GaP | GaP(GaP;N) | Epitaksija tečne faze (LPE) Epitaksija tečne faze (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superlattice | GaAs | GaAlAs/GaAs (ciklus) | Epitaksija molekularnog zraka (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksijalan | InP | InP | Epitaksija parne faze (VPE) Epitaksija tečne faze (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksija | Si | GaAs | Epitaksija molekularnog zraka (MBE) MOGVD | Ga、As GaR₃+AsH₃+H₂ |
Vrijeme objave: 24.12.2024