Керамика од силицијум карбида (СиЦ) нуди изузетну тврдоћу, високу топлотну проводљивост, отпорност на корозију и високу{0}}температурну стабилност, због чега се широко користи у полупроводничкој опреми, ваздухопловству, нуклеарној енергији и другим пољима. Као јако ковалентно-везано једињење, СиЦ испољава изузетно лошу атомску самодифузију- чак и на температурама до 2100 степени, што отежава постизање потпуног згушњавања путем конвенционалних процеса синтеровања.
С обзиром на ово ограничење материјала, мало је вероватно да ће технологија синтеровања у блиској будућности доживети разорна открића. Стога је оптимизација квалитета праха на извору постала најпрактичнији и најисплативији-приступ за побољшање перформанси СиЦ керамике. Карактеристике праха-чистоћа, расподела величине честица и кристална фаза- утичу на цео процесни ланац, укључујући синтеровање, раст зрна и прецизну машинску обраду. Овај чланак даје преглед како кључни индикатори праха утичу на финални керамички производ и описује одговарајуће стратегије инжењерске контроле.
1. Чистоћа: основа механичких перформанси
Нечистоће у праху СиЦ спадају у три главне категорије: металне нечистоће (Фе, Ал, На, итд.), слободне фазе угљеника/силицијума и оксидне нечистоће (првенствено СиО₂). Металне нечистоће имају тенденцију да се сегрегирају на границама зрна, формирајући путеве цурења и смањујући електричну изолацију. Слободни угљеник и слободни силицијум делују као слабе тачке структуре, лако иницирајући пукотине. Нечистоће оксида се разлажу и стварају гасове током високо{4}}синтеровања, служећи као примарни извор унутрашње порозности. Ове три врсте нечистоћа деградирају квалитет керамике у смислу електричних својстава, механичке чврстоће и густине, респективно.
Студије су показале да када се чистоћа праха повећа са 96,5% на 98,8%, релативна густина, чврстоћа на савијање, жилавост лома и Викерсова тврдоћа резултујуће керамике се значајно побољшавају. То је зато што прах-више чистоће смањује фазе нечистоће ниске-тачке-на границама зрна, потискује абнормални раст зрна и минимизира порозност гаса услед разлагања нечистоћа, истовремено побољшавајући згушњавање и униформност зрна. Међу овим својствима, чврстоћа на савијање је најосетљивија на порозност и микропукотине, а самим тим и највише погођена нечистоћама.
Индустрија полупроводника поставља изузетно строге захтеве за чистоћом СиЦ керамике. Узмимо фокусни прстен, на пример-он је директно изложен-бомбардовању јонима високе енергије и гасној корозији која садржи флуор-у плазма комори за нагризање. Било какве металне нечистоће у траговима могу да доведу до контаминације плочице или не{5}}неједнаког јеткања, што захтева нивое чистоће праха од 4Н или више. Код чистоће 4Н и више, контрола нечистоћа прелази са конвенционалног мерења укупног садржаја на прецизно скрининг{9}}елемената у траговима, при чему масовна спектрометрија индуктивно спрегнуте плазме (ИЦП{10}}МС) постаје примарна аналитичка алатка.
2. Величина и градација честица: балансирање зелене-паковање тела и активност синтеровања
Величина честица праха и градација утичу на производњу керамике на два главна начина:
С једне стране, добро{0}}дизајнирана расподела величине честица омогућава финим честицама да попуне празнине између грубих честица, повећавајући густину формираног зеленог тела. С друге стране, финије честице поседују већу специфичну површину и већу површинску енергију, нудећи већу активност синтеровања која може снизити температуре синтеровања и скратити време задржавања.
Експериментална запажања показују да како се удео финих честица повећава, зрна СиЦ се постепено трансформишу из морфологије тромбоцита са равном осовином у хексагоналну, док релативна густина прво расте, а затим опада, достижући максимум при приближно 40% садржаја финих-честица. Прениска фракција финих-честица оставља празнине међу честицама неадекватно попуњене; превисока фракција узрокује прерано згушњавање у раној фази синтеровања, ометајући унутрашње избацивање гаса и преуређивање честица, на крају смањујући коначну густину. Индустрија тренутно фаворизује бимодалну дистрибуцију величине честица како би уравнотежила ефикасност паковања и перформансе синтеровања-уобичајене комбинације обухватају грубе честице у опсегу 10–30 μм и фине честице у опсегу од 0,5–2 μм, са односом прилагођеним на основу дебљине производа и методе формирања.
Штавише, униформност величине честица директно утиче на каснију прецизну машинску обраду. Ако се величине честица прекомерно разликују, величине синтерованих зрна такође ће бити не-уједначене, што ће довести до недоследности тврдоће током хемијско-механичког полирања (ЦМП) и резултирати огреботинама и рупама. За полупроводничке компоненте са строгим захтевима за квалитет површине, као што су електростатичке стезне главе, чак и огреботине у микронској-скали могу да изазову одступања у сили адсорпције плочице, директно утичући на перформансе уређаја и принос.
3. Кристална фаза: Контролно дугме за термичка и електрична својства
Идентификовано је преко 200 политипова СиЦ, са кубним -СиЦ (3Ц-СиЦ) и хексагоналним -СиЦ (4Х-СиЦ, 6Х-СиЦ) који су индустријски најрелевантнији. -СиЦ који се постепено трансформише у фазу ниске температуре{9}{10} која се постепено трансформише у фазу ниске температуре високо-температурно-стабилан -СиЦ изнад 1800 степени . Температура синтеровања, време задржавања и атмосфера у пећи утичу на састав финалне фазе.
У погледу понашања при синтеровању, -СиЦ, са својом већом густином дефекта решетке и површинском енергијом, показује бољу активност синтеровања од -СиЦ. Међутим, фазна трансформација је праћена променама запремине, а неправилна контрола процеса може унети микропукотине. Према томе, почетна кристална фаза праха мора бити прецизно усклађена са режимом синтеровања.
Функционално, две фазе показују изразито различите карактеристике: -СиЦ има уређену решеткасту структуру са слабим расејањем фонона, нуди супериорну топлотну проводљивост и бољу електричну изолацију; -СиЦ, са својом већом густином дефеката, показује јачу електричну проводљивост и релативно нижу топлотну проводљивост.
Ова дистинкција омогућава циљано функционално пројектовање керамике. Полупроводничке компоненте за нагризање захтевају умерену електричну проводљивост да би распршили статички набој-па се формулације са већим -садржајем СиЦ често користе. Компоненте за управљање топлотом на високим{4}}има, с друге стране, захтевају максималну топлотну проводљивост, фаворизујући сирове прахове са високим садржајем -СиЦ. На пример, главе туша у опреми за јеткање морају да се одупру корозији плазме, истовремено обезбеђујући адекватну проводљивост како би спречиле накупљање наелектрисања и пробој диелектрика, тако да обично користе прах са већим садржајем -СиЦ. Насупрот томе, високо-сцептори за ЛЕД епитаксију дају предност топлотној проводљивости и стога фаворизују -СиЦ.