Räninitriid (Si₃N4) keraamika, kui täiustatud struktuurkeraamika, omab suurepäraseid omadusi, nagu kõrge temperatuuritaluvus, kõrge tugevus, kõrge sitkus, kõrge kõvadus, roomamiskindlus, oksüdatsioonikindlus ja kulumiskindlus. Lisaks pakuvad need head soojuslöögikindlust, dielektrilisi omadusi, kõrget soojusjuhtivust ja suurepärast kõrgsagedusliku elektromagnetlainete ülekande jõudlust. Need silmapaistvad kõikehõlmavad omadused võimaldavad neid laialdaselt kasutada keerulistes konstruktsioonikomponentides, eriti lennunduses ja muudes kõrgtehnoloogilistes valdkondades.
Siiski on Si₃N4, mis on tugevate kovalentsete sidemetega ühend, stabiilne struktuur, mis muudab paagutamise suure tihedusega raskeks ainult tahkisdifusiooni kaudu. Paagutamise soodustamiseks lisatakse vedelfaasilise paagutamismehhanismi kaudu tihendamise hõlbustamiseks paagutamise abiaineid, nagu metallioksiidid (MgO, CaO, Al2O3) ja haruldaste muldmetallide oksiidid (Yb2O3, Y2O3, Lu2O3, CeO2).
Praegu areneb globaalne pooljuhtseadmete tehnoloogia kõrgemate pingete, suuremate voolude ja suurema võimsustiheduse suunas. Si₃N4 keraamika valmistamise meetodite uurimine on ulatuslik. See artikkel tutvustab paagutamisprotsesse, mis parandavad tõhusalt räninitriidkeraamika tihedust ja igakülgseid mehaanilisi omadusi.
Si₃N4 keraamika levinumad paagutamismeetodid
Erinevate paagutamismeetoditega valmistatud Si₃N4 keraamika jõudluse võrdlus
1. Reaktiivne paagutamine (RS):Reaktiivne paagutamine oli esimene meetod, mida kasutati Si3N4 keraamika tööstuslikuks valmistamiseks. See on lihtne, kulutõhus ja suudab moodustada keerulisi kujundeid. Sellel on aga pikk tootmistsükkel, mis ei soosi tööstuslikku tootmist.
2. Surveta paagutamine (PLS):See on kõige elementaarsem ja lihtsam paagutamisprotsess. Kuid see nõuab kvaliteetseid Si₃N₄ tooraineid ja sageli annab tulemuseks väiksema tihedusega keraamika, märkimisväärse kokkutõmbumise ja kalduvuse praguneda või deformeeruda.
3. Kuumpressiga paagutamine (HP):Üheteljelise mehaanilise rõhu rakendamine suurendab paagutamise liikumapanevat jõudu, võimaldades toota tihedat keraamikat 100–200 °C madalamal temperatuuril kui rõhuvaba paagutamise puhul. Seda meetodit kasutatakse tavaliselt suhteliselt lihtsa plokikujulise keraamika valmistamiseks, kuid seda on raske täita alusmaterjalide paksuse ja kujuga.
4. Spark Plasma paagutamine (SPS):SPS-i iseloomustab kiire paagutamine, terade rafineeritus ja madalam paagutamistemperatuur. SPS nõuab aga märkimisväärseid investeeringuid seadmetesse ning kõrge soojusjuhtivusega Si₃N4 keraamika valmistamine SPS-i kaudu on alles katsejärgus ja seda pole veel industrialiseeritud.
5. Gaasurõhuga paagutamine (GPS):Gaasisurvet rakendades pärsib see meetod keraamika lagunemist ja kaalukadu kõrgetel temperatuuridel. Suure tihedusega keraamikat on lihtsam toota ja see võimaldab partiitootmist. Üheastmelise gaasirõhuga paagutamise protsessis on aga raske toota ühtse sisemise ja välise värvi ja struktuuriga konstruktsioonikomponente. Kahe- või mitmeastmelise paagutamisprotsessi kasutamine võib oluliselt vähendada teradevahelise hapnikusisaldust, parandada soojusjuhtivust ja parandada üldisi omadusi.
Kaheetapilise gaasirõhuga paagutamise kõrge paagutamistemperatuur on aga viinud varasemate uuringute keskendumiseni peamiselt kõrge soojusjuhtivuse ja ruumitemperatuuri paindetugevusega Si₃N4 keraamiliste substraatide valmistamisele. Laiaulatuslike mehaaniliste omaduste ja kõrge temperatuuriga mehaaniliste omadustega Si₃N4 keraamika uurimine on suhteliselt piiratud.
Si₃N4 gaasisurve kaheastmeline paagutamise meetod
Yang Zhou ja kolleegid Chongqingi tehnikaülikoolist kasutasid 5 massiprotsenti Yb2O3 + 5 massiprotsenti Al2O3 paagutamise abisüsteemi, et valmistada Si3N4 keraamikat nii üheetapilise kui ka kaheastmelise gaasirõhuga paagutamise protsessis 1800 °C juures. Kaheetapilise paagutamisprotsessiga toodetud Si₃N4-keraamikal oli suurem tihedus ja paremad terviklikud mehaanilised omadused. Järgnevalt võetakse kokku ühe- ja kaheetapilise gaasirõhuga paagutamise mõju Si₃N4 keraamiliste komponentide mikrostruktuurile ja mehaanilistele omadustele.
Tihedus Si₃N4 tihendamisprotsess hõlmab tavaliselt kolme etappi, mille etapid kattuvad. Esimene etapp, osakeste ümberpaigutamine, ja teine etapp, lahustumine-sadestamine, on tihendamise kõige kriitilisemad etapid. Piisav reaktsiooniaeg nendes etappides parandab oluliselt proovi tihedust. Kui kaheetapilise paagutamisprotsessi eelpaagutamise temperatuur on seatud 1600 °C-ni, moodustavad β-Si₃N4 terad karkassi ja loovad suletud poorid. Pärast eelpaagutamist soodustab edasine kuumutamine kõrgel temperatuuril ja lämmastiku rõhu all vedela faasi voolu ja täitumist, mis aitab eemaldada suletud poorid, parandades veelgi Si₃N4 keraamika tihedust. Seetõttu on kaheetapilise paagutamisprotsessiga toodetud proovidel suurem tihedus ja suhteline tihedus kui üheetapilise paagutamise teel toodetud proovidel.
Faas ja mikrostruktuur Üheetapilise paagutamise ajal on osakeste ümberkorraldamiseks ja terade piiride difusiooniks kasutatav aeg piiratud. Kaheetapilises paagutamisprotsessis viiakse esimene etapp läbi madalal temperatuuril ja madalal gaasirõhul, mis pikendab osakeste ümberkorraldamise aega ja annab suuremad terad. Seejärel tõstetakse temperatuur kõrge temperatuuri faasi, kus terad jätkavad Ostwaldi küpsemisprotsessi käigus kasvamist, saades suure tihedusega Si₃N4 keraamika.
Mehaanilised omadused Teradevahelise faasi pehmenemine kõrgel temperatuuril on tugevuse vähenemise peamine põhjus. Üheastmelise paagutamise korral tekitab ebanormaalne terakasv terade vahele väikesed poorid, mis takistab tugevuse olulist paranemist kõrgel temperatuuril. Kaheetapilises paagutamisprotsessis suurendavad aga terade piirides ühtlaselt jaotunud klaasifaas ja ühtlase suurusega terad teradevahelist tugevust, mille tulemuseks on suurem paindetugevus kõrgel temperatuuril.
Kokkuvõtteks võib öelda, et pikaajaline hoidmine üheastmelise paagutamise ajal võib tõhusalt vähendada sisemist poorsust ja saavutada ühtlast sisemist värvi ja struktuuri, kuid võib põhjustada ebanormaalset tera kasvu, mis halvendab teatud mehaanilisi omadusi. Kasutades kaheastmelist paagutamisprotsessi – kasutades madala temperatuuriga eelpaagutamist, et pikendada osakeste ümberpaigutusaega ja kõrgel temperatuuril hoidmist, et soodustada ühtlast tera kasvu –, Si₃N4 keraamika suhtelise tihedusega 98,25%, ühtlase mikrostruktuuri ja suurepäraste kõikehõlmavate mehaaniliste omadustega. saab edukalt ette valmistada.
| Nimi | Substraat | Epitaksiaalse kihi koostis | Epitaksiaalne protsess | Epitaksiaalne keskkond |
| Ränist homoepitaksiaalne | Si | Si | Aurufaasi epitaksia (VPE) | SiCl4+H2 |
| Ränist heteroepitaksiaalne | Safiir või spinell | Si | Aurufaasi epitaksia (VPE) | SiH4+H2 |
| GaAs homoepitaksiaalne | GaAs | GaAs GaAs | Aurufaasi epitaksia (VPE) | AsCl3+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molekulaarkiire epitaksia (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksiaalne | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Vedelfaasi epitaksia (LPE) Aurufaas (VPE) | Ga+Al+CaAs+H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaksiaalne | GaP | GaP(GaP;N) | Vedelfaasi epitaksia (LPE) Vedelfaasi epitaksia (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Supervõre | GaAs | GaAlAs/GaAs (tsükkel) | Molekulaarkiire epitaksia (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR3+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksiaalne | InP | InP | Aurufaasi epitaksia (VPE) Vedelfaasi epitaksia (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksia | Si | GaAs | Molekulaarkiire epitaksia (MBE) MOGVD | Ga, As GaR3+AsH3+H2 |
Postitusaeg: 24. detsember 2024