เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) เป็นเซรามิกโครงสร้างขั้นสูง มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น ทนต่ออุณหภูมิสูง ความแข็งแรงสูง ความเหนียวสูง ความแข็งสูง ความต้านทานการคืบ ความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน และความต้านทานการสึกหรอ นอกจากนี้ ยังมีความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อน คุณสมบัติเป็นฉนวน การนำความร้อนสูง และประสิทธิภาพการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติที่ครอบคลุมที่โดดเด่นเหล่านี้ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบโครงสร้างที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการบินและอวกาศและสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ
อย่างไรก็ตาม Si₃N₄ ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง มีโครงสร้างที่มั่นคงซึ่งทำให้การเผาผนึกจนถึงความหนาแน่นสูงทำได้ยากผ่านการแพร่กระจายของโซลิดสเตตเพียงอย่างเดียว เพื่อส่งเสริมการเผาผนึก สารช่วยในการเผาผนึก เช่น โลหะออกไซด์ (MgO, CaO, Al₂O₃) และออกไซด์ของธาตุหายาก (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) จะถูกเพิ่มเข้าไปเพื่ออำนวยความสะดวกในการทำให้หนาแน่นขึ้นผ่านกลไกการเผาผนึกในเฟสของเหลว
ปัจจุบัน เทคโนโลยีอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลกกำลังก้าวหน้าไปสู่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น กระแสไฟฟ้าที่มากขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานที่มากขึ้น การวิจัยเกี่ยวกับวิธีการประดิษฐ์เซรามิก Si₃N₄ นั้นครอบคลุมอย่างกว้างขวาง บทความนี้จะแนะนำกระบวนการเผาผนึกที่ปรับปรุงความหนาแน่นและคุณสมบัติเชิงกลที่ครอบคลุมของเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
วิธีการเผาผนึกทั่วไปสำหรับเซรามิก Si₃N₄
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเซรามิก Si₃N₄ ที่เตรียมโดยวิธีการเผาผนึกแบบต่างๆ
1. การเผาผนึกปฏิกิริยา (RS):การเผาผนึกปฏิกิริยาเป็นวิธีแรกที่ใช้ในการเตรียมเซรามิก Si₃N₄ ในทางอุตสาหกรรม มันเรียบง่าย คุ้มค่า และสามารถสร้างรูปทรงที่ซับซ้อนได้ อย่างไรก็ตามมีวงจรการผลิตที่ยาวนานซึ่งไม่เอื้อต่อการผลิตในระดับอุตสาหกรรม
2. การเผาผนึกแบบไร้แรงดัน (PLS):นี่เป็นกระบวนการเผาผนึกขั้นพื้นฐานและเรียบง่ายที่สุด อย่างไรก็ตาม ต้องใช้วัตถุดิบ Si₃N₄ คุณภาพสูง และมักส่งผลให้เซรามิกมีความหนาแน่นต่ำกว่า การหดตัวอย่างมีนัยสำคัญ และมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวหรือเสียรูป
3. การเผาผนึกแบบกดร้อน (HP):การใช้แรงดันเชิงกลแกนเดียวจะเพิ่มแรงผลักดันในการเผาผนึก ช่วยให้สามารถผลิตเซรามิกที่มีความหนาแน่นที่อุณหภูมิ 100-200°C ต่ำกว่าที่ใช้ในการเผาผนึกแบบไม่มีแรงดัน โดยทั่วไปวิธีการนี้ใช้สำหรับการผลิตเซรามิกรูปทรงบล็อกที่ค่อนข้างเรียบง่าย แต่ยากที่จะเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความหนาและรูปร่างสำหรับวัสดุซับสเตรต
4. การเผาผนึกด้วยประกายไฟพลาสมา (SPS):SPS โดดเด่นด้วยการเผาผนึกที่รวดเร็ว การทำให้เกรนละเอียด และอุณหภูมิการเผาผนึกที่ลดลง อย่างไรก็ตาม SPS จำเป็นต้องมีการลงทุนจำนวนมากในอุปกรณ์ และการเตรียมเซรามิก Si₃N₄ ที่มีค่าการนำความร้อนสูงผ่าน SPS ยังอยู่ในขั้นตอนการทดลองและยังไม่ได้ถูกทำให้เป็นอุตสาหกรรม
5. การเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊ส (GPS):โดยการใช้แรงดันแก๊ส วิธีการนี้จะยับยั้งการสลายตัวของเซรามิกและการสูญเสียน้ำหนักที่อุณหภูมิสูง ง่ายกว่าในการผลิตเซรามิกความหนาแน่นสูงและช่วยให้สามารถผลิตเป็นชุดได้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊สในขั้นตอนเดียวประสบปัญหาในการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างที่มีสีและโครงสร้างภายในและภายนอกที่สม่ำเสมอ การใช้กระบวนการเผาผนึกแบบสองขั้นตอนหรือหลายขั้นตอนสามารถลดปริมาณออกซิเจนตามขอบเกรนได้อย่างมาก ปรับปรุงการนำความร้อน และปรับปรุงคุณสมบัติโดยรวม
อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิการเผาผนึกที่สูงของการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊สสองขั้นตอนทำให้การวิจัยก่อนหน้านี้มุ่งเน้นไปที่การเตรียมพื้นผิวเซรามิก Si₃N₄ ที่มีค่าการนำความร้อนสูงและมีความแข็งแรงในการดัดงอที่อุณหภูมิห้องเป็นหลัก การวิจัยเกี่ยวกับเซรามิก Si₃N₄ ที่มีคุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุมและคุณสมบัติทางกลที่อุณหภูมิสูงนั้นค่อนข้างจำกัด
วิธีการเผาผนึกสองขั้นตอนด้วยแรงดันแก๊สสำหรับ Si₃N₄
Yang Zhou และเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chongqing ใช้ระบบช่วยเหลือการเผาผนึก 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ เพื่อเตรียมเซรามิก Si₃N₄ โดยใช้กระบวนการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊สทั้งขั้นตอนเดียวและสองขั้นตอนที่อุณหภูมิ 1800°C เซรามิก Si₃N₄ ที่ผลิตโดยกระบวนการเผาผนึกสองขั้นตอนมีความหนาแน่นสูงกว่าและมีคุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุมดีกว่า ต่อไปนี้จะสรุปผลกระทบของกระบวนการเผาผนึกด้วยแรงดันแก๊สแบบขั้นตอนเดียวและสองขั้นตอนต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลของส่วนประกอบเซรามิก Si₃N₄
ความหนาแน่น กระบวนการทำให้หนาแน่นของ Si₃N₄ โดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับสามขั้นตอน โดยมีการทับซ้อนกันระหว่างแต่ละขั้นตอน ระยะแรก การจัดเรียงอนุภาคใหม่ และระยะที่สอง ระยะการละลาย-การตกตะกอน เป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดสำหรับการทำให้หนาแน่น เวลาตอบสนองที่เพียงพอในขั้นตอนเหล่านี้จะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของตัวอย่างได้อย่างมาก เมื่ออุณหภูมิก่อนการเผาผนึกสำหรับกระบวนการเผาผนึกสองขั้นตอนถูกตั้งไว้ที่ 1600°C เมล็ด β-Si₃N₄ จะก่อตัวเป็นกรอบและสร้างรูพรุนที่ปิด หลังจากการเผาเบื้องต้น การให้ความร้อนเพิ่มเติมภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันไนโตรเจนจะช่วยส่งเสริมการไหลและการเติมในเฟสของเหลว ซึ่งช่วยขจัดรูขุมขนที่ปิดอยู่ และปรับปรุงความหนาแน่นของเซรามิก Si₃N₄ ให้ดียิ่งขึ้น ดังนั้น ตัวอย่างที่สร้างโดยกระบวนการเผาผนึกสองขั้นตอนจึงแสดงความหนาแน่นและความหนาแน่นสัมพัทธ์ที่สูงกว่าตัวอย่างที่เกิดจากกระบวนการเผาผนึกขั้นตอนเดียว
เฟสและโครงสร้างจุลภาค ในระหว่างการเผาผนึกขั้นตอนเดียว เวลาที่มีอยู่สำหรับการจัดเรียงอนุภาคใหม่และการแพร่กระจายขอบเขตเกรนนั้นมีจำกัด ในกระบวนการเผาผนึกสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกจะดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำและความดันก๊าซต่ำ ซึ่งจะขยายเวลาการจัดเรียงอนุภาคใหม่และส่งผลให้เมล็ดมีขนาดใหญ่ขึ้น จากนั้นอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจนถึงระดับอุณหภูมิสูง ซึ่งเมล็ดพืชยังคงเติบโตต่อไปผ่านกระบวนการทำให้สุกของ Ostwald ทำให้เกิดเซรามิก Si₃N₄ ที่มีความหนาแน่นสูง
คุณสมบัติทางกล การอ่อนตัวลงของเฟสตามขอบเกรนที่อุณหภูมิสูงเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ความแข็งแรงลดลง ในการเผาผนึกในขั้นตอนเดียว การเจริญเติบโตของเมล็ดพืชที่ผิดปกติจะสร้างรูพรุนเล็กๆ ระหว่างเมล็ดพืช ซึ่งขัดขวางการปรับปรุงความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการเผาผนึกสองขั้นตอน เฟสแก้วซึ่งมีการกระจายสม่ำเสมอในขอบเขตของเกรน และเกรนที่มีขนาดเท่ากันจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงตามขอบเกรน ส่งผลให้มีความแข็งแรงในการดัดงอที่อุณหภูมิสูงสูงขึ้น
โดยสรุป การค้างไว้เป็นเวลานานระหว่างการเผาผนึกขั้นตอนเดียวสามารถลดความพรุนภายในได้อย่างมีประสิทธิภาพ และได้สีและโครงสร้างภายในที่สม่ำเสมอ แต่อาจนำไปสู่การเติบโตของเกรนที่ผิดปกติ ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติเชิงกลบางอย่างลดลง โดยใช้กระบวนการเผาผนึกสองขั้นตอน โดยใช้การเผาล่วงหน้าที่อุณหภูมิต่ำเพื่อขยายเวลาการจัดเรียงอนุภาคใหม่ และการกักเก็บที่อุณหภูมิสูงเพื่อส่งเสริมการเติบโตของเกรนที่สม่ำเสมอ—เซรามิก Si₃N₄ ที่มีความหนาแน่นสัมพัทธ์ 98.25% โครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ และคุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุมดีเยี่ยม สามารถเตรียมการได้สำเร็จ
| ชื่อ | พื้นผิว | องค์ประกอบของชั้น Epitaxis | กระบวนการอีพิเทแอกเชียล | สื่อ Epitaxial |
| ซิลิคอนโฮโมอีพิเทเชียล | Si | Si | ไอเฟส Epitaxy (VPE) | SiCl4+H2 |
| ซิลิคอนเฮเทอโรอิพิแทกเซียล | แซฟไฟร์หรือสปิเนล | Si | ไอเฟส Epitaxy (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs โฮโมอีพิเทเชียล | GaAs | GaAs GaAs | ไอเฟส Epitaxy (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (อาร์) |
| GaAs | GaAs GaAs | โมเลกุลบีม Epitaxy (MBE) | กา+อัส | |
| GaAs เฮเทอโรอีพิโทเชียล | GaAs GaAs | กาอัลแอส/กาแอส/กาอัลแอส | Epitaxy เฟสของเหลว (LPE) เฟสไอ (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+พีเอช3+ซีเอชแอล+เอช2 |
| GaP โฮโมอีพิเทเชียล | GaP | GaP(กาพี;N) | Epitaxy เฟสของเหลว (LPE) Epitaxy เฟสของเหลว (LPE) | Ga+GaP+H2+(น3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| ซูเปอร์แลตติซ | GaAs | กาอัลแอส/กาแอส (วงจร) | โมเลกุลบีม Epitaxy (MBE) กระทรวงสาธารณสุข | แคลิฟอร์เนีย แอส อัล GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP โฮโมอีพิเทเชียล | อินพี | อินพี | ไอเฟส Epitaxy (VPE) Epitaxy เฟสของเหลว (LPE) | PCl3+ใน+H2 ใน+ในAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs Epitaxy | Si | GaAs | โมเลกุลบีม Epitaxy (MBE) MOGVD | กา、อาส GaR₃+AsH₃+H₂ |
เวลาโพสต์: 24 ธันวาคม 2024