Керамика из нитрида кремния (Si₃N₄), как передовая конструкционная керамика, обладает превосходными свойствами, такими как устойчивость к высоким температурам, высокая прочность, высокая ударная вязкость, высокая твердость, сопротивление ползучести, стойкость к окислению и износостойкость. Кроме того, они обладают хорошей термостойкостью, диэлектрическими свойствами, высокой теплопроводностью и отличными характеристиками передачи высокочастотных электромагнитных волн. Эти выдающиеся комплексные свойства позволяют широко использовать их в сложных структурных компонентах, особенно в аэрокосмической и других высокотехнологичных областях.
Однако Si₃N₄, будучи соединением с прочными ковалентными связями, имеет стабильную структуру, что затрудняет спекание до высокой плотности только за счет диффузии в твердом состоянии. Для ускорения спекания добавляют спекающие добавки, такие как оксиды металлов (MgO, CaO, Al₂O₃) и оксиды редкоземельных металлов (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂), чтобы облегчить уплотнение посредством механизма жидкофазного спекания.
В настоящее время глобальная технология полупроводниковых устройств движется в направлении более высоких напряжений, больших токов и большей плотности мощности. Исследования методов изготовления керамики Si₃N₄ обширны. В этой статье представлены процессы спекания, которые эффективно улучшают плотность и комплексные механические свойства керамики из нитрида кремния.
Распространенные методы спекания керамики Si₃N₄
Сравнение характеристик керамики Si₃N₄, полученной различными методами спекания
1. Реактивное спекание (РС):Реактивное спекание было первым методом промышленного изготовления керамики Si₃N₄. Он прост, экономичен и способен создавать сложные формы. Однако он имеет длительный производственный цикл, что не способствует промышленному производству.
2. Спекание без давления (PLS):Это самый простой и простой процесс спекания. Однако для этого требуется высококачественное сырье Si₃N₄, что часто приводит к получению керамики с более низкой плотностью, значительной усадкой и склонностью к растрескиванию или деформации.
3. Спекание горячим прессом (HP):Применение одноосного механического давления увеличивает движущую силу спекания, позволяя получать плотную керамику при температурах на 100-200°С ниже, чем при спекании без давления. Этот метод обычно используется для изготовления относительно простой керамики в форме блоков, но с трудом соответствует требованиям к толщине и форме материалов подложки.
4. Искрово-плазменное спекание (ИСП):SPS характеризуется быстрым спеканием, измельчением зерна и пониженной температурой спекания. Однако SPS требует значительных инвестиций в оборудование, а получение керамики Si₃N₄ с высокой теплопроводностью с помощью SPS все еще находится на экспериментальной стадии и еще не промышленно освоено.
5. Спекание под давлением газа (GPS):Используя давление газа, этот метод предотвращает разложение керамики и потерю веса при высоких температурах. Керамику высокой плотности легче производить и позволяет осуществлять серийное производство. Однако одностадийный процесс спекания под давлением газа с трудом позволяет получить структурные компоненты с однородным внутренним и внешним цветом и структурой. Использование двухэтапного или многоэтапного процесса спекания может значительно снизить содержание межзеренного кислорода, улучшить теплопроводность и улучшить общие свойства.
Однако высокая температура спекания при двухэтапном спекании под давлением газа привела к тому, что предыдущие исследования были сосредоточены в основном на приготовлении керамических подложек Si₃N₄ с высокой теплопроводностью и прочностью на изгиб при комнатной температуре. Исследования керамики Si₃N₄ с комплексными механическими свойствами и высокотемпературными механическими свойствами относительно ограничены.
Двухстадийный метод спекания Si₃N₄ под давлением газа
Ян Чжоу и его коллеги из Технологического университета Чунцина использовали систему вспомогательных средств для спекания, состоящую из 5 мас.% Yb₂O₃ + 5 мас.% Al₂O₃, для приготовления керамики Si₃N₄ с использованием как одноэтапного, так и двухэтапного процесса спекания под давлением газа при 1800°C. Керамика Si₃N₄, полученная с помощью двухэтапного процесса спекания, имела более высокую плотность и лучшие механические свойства. Ниже суммировано влияние одностадийных и двухстадийных процессов спекания под давлением газа на микроструктуру и механические свойства керамических компонентов Si₃N₄.
Плотность Процесс уплотнения Si₃N₄ обычно включает три стадии с перекрытием между стадиями. Первая стадия, перегруппировка частиц, и вторая стадия, растворение-осаждение, являются наиболее важными стадиями уплотнения. Достаточное время реакции на этих этапах значительно повышает плотность образца. Когда температура предварительного спекания для двухэтапного процесса спекания установлена на уровне 1600°C, зерна β-Si₃N₄ образуют каркас и создают закрытые поры. После предварительного спекания дальнейший нагрев при высокой температуре и давлении азота способствует течению и заполнению жидкой фазы, что помогает устранить закрытые поры, дополнительно улучшая плотность керамики Si₃N₄. Таким образом, образцы, полученные двухэтапным спеканием, имеют более высокую плотность и относительную плотность, чем образцы, полученные одностадийным спеканием.
Фаза и микроструктура. Во время одностадийного спекания время, доступное для перегруппировки частиц и диффузии по границам зерен, ограничено. В двухэтапном процессе спекания первый этап проводится при низкой температуре и низком давлении газа, что увеличивает время перегруппировки частиц и приводит к получению более крупных зерен. Затем температуру повышают до высокотемпературной стадии, когда зерна продолжают расти в процессе созревания Оствальда, образуя керамику Si₃N₄ высокой плотности.
Механические свойства Размягчение межзеренной фазы при высоких температурах является основной причиной снижения прочности. При одностадийном спекании аномальный рост зерен создает мелкие поры между зернами, что препятствует значительному повышению жаропрочности. Однако в двухэтапном процессе спекания стеклофаза, равномерно распределенная по границам зерен, и зерна одинакового размера повышают межзеренную прочность, что приводит к более высокой прочности на изгиб при высоких температурах.
В заключение, длительная выдержка во время одностадийного спекания может эффективно уменьшить внутреннюю пористость и добиться однородного внутреннего цвета и структуры, но может привести к аномальному росту зерен, что ухудшает определенные механические свойства. Благодаря использованию двухэтапного процесса спекания — низкотемпературного предварительного спекания для увеличения времени перегруппировки частиц и высокотемпературной выдержки для обеспечения равномерного роста зерен — керамика Si₃N₄ с относительной плотностью 98,25%, однородной микроструктурой и превосходными комплексными механическими свойствами. можно успешно подготовить.
| Имя | Субстрат | Состав эпитаксиального слоя | Эпитаксиальный процесс | Эпитаксиальная среда |
| Кремниевый гомоэпитаксиальный | Si | Si | Парофазная эпитаксия (VPE) | SiCl4+H2 |
| Кремниевый гетероэпитаксиальный | Сапфир или шпинель | Si | Парофазная эпитаксия (VPE) | SiH₄+H₂ |
| Гоомепитаксиальный GaAs | GaAs | GaAs GaAs | Парофазная эпитаксия (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) | Ga+As | |
| GaAs гетероэпитаксиальный | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) Паровая фаза (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| Гомоэпитаксиальный GaP | Зазор | GaP(GaP;N) | Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) | Ga+GaP+H2+(НХ3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| сверхрешетка | GaAs | GaAlAs/GaAs (цикл) | Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) МОКВД | Са, Ас, Ал GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP гомоэпитаксиальный | ИнП | ИнП | Парофазная эпитаксия (VPE) Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Эпитаксия Si/GaAs | Si | GaAs | Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) МОГВД | Га、Ас GaR₃+AsH₃+H₂ |
Время публикации: 24 декабря 2024 г.