Silikon nitrid (Si₃N₄) keramika qabaqcıl struktur keramika kimi yüksək temperatura davamlılıq, yüksək möhkəmlik, yüksək möhkəmlik, yüksək sərtlik, sürünməyə qarşı müqavimət, oksidləşmə müqaviməti və aşınma müqaviməti kimi əla xüsusiyyətlərə malikdir. Bundan əlavə, onlar yaxşı termal şok müqaviməti, dielektrik xüsusiyyətlər, yüksək istilik keçiriciliyi və əla yüksək tezlikli elektromaqnit dalğa ötürmə performansı təklif edirlər. Bu görkəmli hərtərəfli xüsusiyyətlər onları mürəkkəb struktur komponentlərində, xüsusən də aerokosmik və digər yüksək texnologiyalı sahələrdə geniş istifadə etməyə imkan verir.
Bununla belə, Si₃N₄ güclü kovalent bağlara malik birləşmə olmaqla, tək bərk hal diffuziyası ilə yüksək sıxlığa sinterləşməni çətinləşdirən sabit bir quruluşa malikdir. Sinterləşdirməni təşviq etmək üçün maye fazalı sinterləmə mexanizmi vasitəsilə sıxlaşmanı asanlaşdırmaq üçün metal oksidləri (MgO, CaO, Al₂O₃) və nadir torpaq oksidləri (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) kimi sinterləmə köməkçiləri əlavə edilir.
Hal-hazırda qlobal yarımkeçirici cihaz texnologiyası daha yüksək gərginliklərə, daha böyük cərəyanlara və daha böyük güc sıxlığına doğru irəliləyir. Si₃N₄ keramika istehsalı üsullarının araşdırılması genişdir. Bu məqalə silikon nitrid keramikasının sıxlığını və hərtərəfli mexaniki xassələrini effektiv şəkildə yaxşılaşdıran sinterləmə proseslərini təqdim edir.
Si₃N₄ Keramika üçün Ümumi Sinterləmə Metodları
Müxtəlif Sinterləmə Metodları ilə Hazırlanan Si₃N₄ Keramika üçün Performansın Müqayisəsi
1. Reaktiv Sinterləmə (RS):Reaktiv sinterləmə Si₃N₄ keramikasını sənaye üsulu ilə hazırlamaq üçün istifadə edilən ilk üsul idi. Sadə, sərfəli və mürəkkəb formalar yaratmağa qadirdir. Bununla belə, sənaye miqyasında istehsal üçün əlverişli olmayan uzun bir istehsal dövrü var.
2. Təzyiqsiz Sinterləmə (PLS):Bu, ən sadə və sadə sinterləmə prosesidir. Bununla belə, yüksək keyfiyyətli Si₃N₄ xammal tələb edir və tez-tez daha az sıxlıq, əhəmiyyətli büzülmə və çatlama və ya deformasiyaya meylli keramika ilə nəticələnir.
3. İsti preslə sinterləmə (HP):Biroxlu mexaniki təzyiqin tətbiqi sinterləmə üçün hərəkətverici qüvvəni artırır, sıx keramikaları təzyiqsiz sinterləmə zamanı istifadə olunanlardan 100-200°C aşağı temperaturda istehsal etməyə imkan verir. Bu üsul adətən nisbətən sadə blok formalı keramika istehsalı üçün istifadə olunur, lakin substrat materialları üçün qalınlıq və forma tələblərinə cavab vermək çətindir.
4. Spark Plazma Sinterləmə (SPS):SPS sürətli sinterləmə, taxıl zərifliyi və aşağı sinterləmə temperaturu ilə xarakterizə olunur. Bununla belə, SPS avadanlıqlara əhəmiyyətli investisiya tələb edir və SPS vasitəsilə yüksək istilik keçiriciliyi olan Si₃N₄ keramikanın hazırlanması hələ də eksperimental mərhələdədir və hələ sənayeləşməyib.
5. Qaz təzyiqi sinterləmə (GPS):Qaz təzyiqini tətbiq etməklə, bu üsul keramika parçalanmasına və yüksək temperaturda çəki itkisinə mane olur. Yüksək sıxlıqlı keramika istehsalı daha asandır və toplu istehsala imkan verir. Bununla belə, bir addımlı qaz təzyiqi sinterləmə prosesi vahid daxili və xarici rəng və quruluşa malik struktur komponentləri istehsal etmək üçün mübarizə aparır. İki pilləli və ya çox mərhələli sinterləmə prosesinin istifadəsi qranullararası oksigen miqdarını əhəmiyyətli dərəcədə azalda, istilik keçiriciliyini yaxşılaşdıra və ümumi xüsusiyyətləri yaxşılaşdıra bilər.
Bununla belə, iki pilləli qaz təzyiqli sinterləmənin yüksək sinterləmə temperaturu əvvəlki tədqiqatların əsasən yüksək istilik keçiriciliyi və otaq temperaturunda əyilmə gücü olan Si₃N₄ keramika substratlarının hazırlanmasına yönəldilməsinə səbəb olmuşdur. Hərtərəfli mexaniki xassələrə və yüksək temperatura malik mexaniki xassələrə malik Si₃N₄ keramika üzrə tədqiqatlar nisbətən məhduddur.
Si₃N₄ üçün Qaz Təzyiqli İki Mərhələli Sinterləmə Metodu
Yang Zhou və Chongqing Texnologiya Universitetindən olan həmkarları 1800°C temperaturda həm bir pilləli, həm də iki pilləli qaz təzyiqi sinterləmə proseslərindən istifadə edərək Si₃N₄ keramika hazırlamaq üçün 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ sinterləmə yardım sistemindən istifadə etdilər. İki mərhələli sinterləmə prosesi ilə istehsal olunan Si₃N₄ keramika daha yüksək sıxlığa və daha yaxşı hərtərəfli mexaniki xüsusiyyətlərə malikdir. Aşağıda Si₃N₄ keramika komponentlərinin mikrostrukturuna və mexaniki xassələrinə bir pilləli və iki pilləli qaz təzyiqli sinterləmə proseslərinin təsiri ümumiləşdirilmişdir.
Sıxlıq Si₃N₄-nin sıxlaşması prosesi adətən mərhələlər arasında üst-üstə düşən üç mərhələni əhatə edir. Birinci mərhələ, hissəciklərin yenidən təşkili və ikinci mərhələ, həll olunma-çökmə, sıxlaşma üçün ən kritik mərhələlərdir. Bu mərhələlərdə kifayət qədər reaksiya müddəti nümunə sıxlığını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. İki mərhələli sinterləmə prosesi üçün əvvəlcədən sinterləmə temperaturu 1600°C-ə təyin edildikdə, β-Si₃N₄ taxılları çərçivə əmələ gətirir və qapalı məsamələr yaradır. Əvvəlcədən sinterləmədən sonra yüksək temperatur və azot təzyiqi altında əlavə isitmə maye fazalı axını və doldurulmasını təşviq edir, bu da qapalı məsamələri aradan qaldırmağa kömək edir, Si₃N₄ keramika sıxlığını daha da artırır. Buna görə də, iki addımlı sinterləmə prosesi ilə əldə edilən nümunələr bir addımlı sinterləmə ilə əldə edilənlərdən daha yüksək sıxlıq və nisbi sıxlıq göstərir.
Faza və Mikrostruktur Bir addımlı sinterləmə zamanı hissəciklərin yenidən təşkili və taxıl sərhədinin yayılması üçün mövcud vaxt məhduddur. İki mərhələli sinterləmə prosesində ilk addım aşağı temperaturda və aşağı qaz təzyiqində aparılır ki, bu da hissəciklərin yenidən təşkili vaxtını uzadır və daha böyük taxıllarla nəticələnir. Sonra temperatur yüksək temperatur mərhələsinə qədər yüksəldilir, burada taxıllar Ostvald yetişmə prosesi ilə böyüməyə davam edir və yüksək sıxlıqlı Si₃N₄ keramika verir.
Mexaniki xüsusiyyətlər Yüksək temperaturda dənəvərlər arası fazanın yumşaldılması gücün azalmasının əsas səbəbidir. Bir addımlı sinterləmə zamanı anormal taxıl böyüməsi taxıllar arasında kiçik məsamələr yaradır ki, bu da yüksək temperatur gücündə əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmanın qarşısını alır. Bununla belə, iki addımlı sinterləmə prosesində taxıl sərhədlərində bərabər paylanmış şüşə fazası və vahid ölçülü taxıllar intergranular gücü artırır və nəticədə yüksək temperaturda əyilmə gücünə səbəb olur.
Nəticə olaraq, bir addımlı sinterləmə zamanı uzun müddət saxlama daxili məsaməliyi effektiv şəkildə azalda bilər və vahid daxili rəng və quruluşa nail ola bilər, lakin müəyyən mexaniki xassələri pisləşdirən anormal taxıl böyüməsinə səbəb ola bilər. İki mərhələli sinterləmə prosesini tətbiq etməklə - hissəciklərin yenidən qurulması vaxtını uzatmaq üçün aşağı temperaturda əvvəlcədən sinterləmə və vahid taxıl böyüməsini təşviq etmək üçün yüksək temperaturda saxlama - nisbi sıxlığı 98,25%, vahid mikro quruluşa və mükəmməl hərtərəfli mexaniki xassələrə malik Si₃N₄ keramika. uğurla hazırlana bilər.
| ad | Substrat | Epitaksial təbəqənin tərkibi | Epitaksial proses | Epitaksial mühit |
| Silikon homoepitaksial | Si | Si | Buxar Faza Epitaksiyası (VPE) | SiCl4+H2 |
| Silikon heteroepitaksial | Safir və ya şpinel | Si | Buxar Faza Epitaksiyası (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaksial | GaAs | GaAs GaAs | Buxar Faza Epitaksiyası (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Molekulyar Şüa Epitaksiyası (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaksial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Maye Faza Epitaksiyası (LPE) Buxar Fazası (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaksial | GaP | GaP(GaP;N) | Maye Faza Epitaksiyası (LPE) Maye Faza Epitaksiyası (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Super qəfəs | GaAs | GaAlAs/GaAs (dövr) | Molekulyar Şüa Epitaksiyası (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaksial | InP | InP | Buxar Faza Epitaksiyası (VPE) Maye Faza Epitaksiyası (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs epitaksiyası | Si | GaAs | Molekulyar Şüa Epitaksiyası (MBE) MOGVD | Ga, As GaR₃+AsH₃+H₂ |
Göndərmə vaxtı: 24 dekabr 2024-cü il