Керамикаи нитриди кремний (Si₃N₄) ҳамчун сафолии пешрафтаи сохторӣ дорои хосиятҳои аъло ба монанди муқовимат ба ҳарорати баланд, мустаҳкамии баланд, сахтии баланд, сахтии баланд, муқовимат ба хазандагон, муқовимати оксидшавӣ ва муқовимат ба фарсуда. Илова бар ин, онҳо муқовимати хуби зарбаи гармӣ, хосиятҳои диэлектрикӣ, гузариши баланди гармӣ ва иҷрои аълои интиқоли мавҷи электромагнитии баландбасомадро пешниҳод мекунанд. Ин хосиятҳои барҷастаи ҳамаҷониба онҳоро ба таври васеъ дар ҷузъҳои мураккаби сохторӣ, махсусан дар аэрокосмос ва дигар соҳаҳои баландтехнологӣ истифода мебаранд.
Аммо, Si₃N₄, ки пайвастагиҳои дорои пайвандҳои мустаҳками ковалентӣ буда, сохтори устувор дорад, ки синтеризатсияро ба зичии баланд тавассути диффузияи ҳолати сахт душвор мекунад. Барои мусоидат ба агломератсия, ёрирасонҳои агломератсия, аз қабили оксидҳои металлӣ (MgO, CaO, Al₂O₃) ва оксидҳои замини нодир (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) илова карда мешаванд, то зичшавиро тавассути механизми моеъи моеъ осон кунанд.
Дар айни замон, технологияи ҷаҳонии дастгоҳи нимноқилҳо ба сӯи шиддати баланд, ҷараёнҳои калон ва зичии бештари нерӯ пеш меравад. Тадқиқот оид ба усулҳои истеҳсоли сафолҳои Si₃N₄ васеъ аст. Ин мақола равандҳои агломератсияро муаррифӣ мекунад, ки зичӣ ва хосиятҳои механикии ҳамаҷонибаи сафолҳои нитриди кремнийро ба таври муассир беҳтар мекунанд.
Усулҳои маъмули синтеризатсия барои сафолҳои Si₃N₄
Муқоисаи кор барои сафолҳои Si₃N₄ бо усулҳои гуногуни агломератсия омодашуда
1. Синтеризатсияи реактивӣ (RS):Синтеризатсияи реактивӣ усули аввалине буд, ки барои тайёр кардани сафоли Si₃N₄ дар саноат истифода мешуд. Он содда, камхарҷ ва қодир ба ташаккули шаклҳои мураккаб аст. Аммо вай цикли дуру дарози истехсолй дорад, ки барои истехсолоти саноатй мувофик нест.
2. Синтеризатсияи бидуни фишор (PLS):Ин раванди соддатарин ва соддатарин аст. Бо вуҷуди ин, он ашёи хоми баландсифати Si₃N₄ талаб мекунад ва аксар вақт ба сафолҳои зичии камтар, коҳиши назаррас ва майл ба кафидан ё деформатсия оварда мерасонад.
3. Синтеризатсия бо пресси гарм (HP):Татбиқи фишори механикии яксоҳавӣ қувваи пешбарандаи агломератсияро зиёд мекунад ва имкон медиҳад, ки сафолҳои зич дар ҳарорати 100-200 ° C камтар аз онҳое, ки дар агломератсияи бидуни фишор истифода мешаванд, истеҳсол карда шаванд. Ин усул маъмулан барои истеҳсоли сафолҳои нисбатан соддаи блокшакл истифода мешавад, аммо қонеъ кардани талаботи ғафсӣ ва шакл барои маводи субстрат душвор аст.
4. Spark Plasma Sintering (SPS):SPS бо агломератсияи зуд, тозакунии ғалла ва паст шудани ҳарорати агломератсия хос аст. Бо вуҷуди ин, SPS сармоягузории назаррасро барои таҷҳизот талаб мекунад ва тайёр кардани сафолҳои гармидиҳии баландсифати Si₃N₄ тавассути SPS ҳанӯз дар марҳилаи таҷрибавӣ қарор дорад ва то ҳол саноатӣ карда нашудааст.
5. Синтеризатсияи газ-фишор (GPS):Бо ба кор бурдани фишори газ, ин усул вайроншавии сафолӣ ва талафоти вазнро дар ҳарорати баланд пешгирӣ мекунад. Истеҳсоли сафолҳои зичии баланд осонтар аст ва имкон медиҳад, ки истеҳсоли гурӯҳӣ анҷом дода шавад. Бо вуҷуди ин, раванди синтеризатсияи якқадам бо фишори газ барои тавлиди ҷузъҳои сохторӣ бо ранг ва сохтори якхелаи дохилӣ ва берунӣ мубориза мебарад. Истифодаи раванди дуқадам ё бисёрқадам метавонад миқдори оксигени байнигрануляриро ба таври назаррас коҳиш диҳад, гузариши гармиро беҳтар кунад ва хосиятҳои умумиро беҳтар созад.
Бо вуҷуди ин, ҳарорати баланди агломератсияи синтеризатсияи дуқадам бо фишори газ боиси он гардид, ки тадқиқоти қаблӣ асосан ба тайёр кардани субстратҳои сафолии Si₃N₄ бо гармии баланди гармӣ ва қувваи каҷ дар ҳарорати хонагӣ тамаркуз кунанд. Тадқиқот оид ба сафолҳои Si₃N₄ бо хосиятҳои механикии ҳамаҷониба ва хосиятҳои механикии ҳарорати баланд нисбатан маҳдуд аст.
Усули дуқадам бо фишори газ барои Si₃N₄
Ян Чжоу ва ҳамкорон аз Донишгоҳи технологии Чунцин як системаи ёрирасони агломератсияи 5 ват.% Yb₂O₃ + 5 ват.% Al₂O₃ барои тайёр кардани сафоли Si₃N₄ бо истифода аз равандҳои синтеризатсияи ҳам якқадам ва ҳам дуқадам бо фишори газ дар 1800°C истифода бурданд. Сафолҳои Si₃N₄, ки тавассути раванди дуқадам истеҳсол мешуданд, зичии баландтар ва хосиятҳои механикии ҳамаҷонибаи беҳтар доштанд. Дар зер таъсири равандҳои синтеризатсияи як марҳила ва ду марҳилаи фишори газ ба микроструктура ва хосиятҳои механикии ҷузъҳои сафоли Si₃N₄ ҷамъбаст карда шудааст.
Зичӣ Раванди зичии Si₃N₄ маъмулан се марҳиларо дар бар мегирад ва дар байни марҳилаҳо такрор мешаванд. Марҳилаи якум, азнавсозии зарраҳо ва марҳилаи дуюм, обшавӣ-бориш, марҳилаҳои муҳимтарини зичшавӣ мебошанд. Вақти кофии реаксия дар ин марҳилаҳо зичии намунаро ба таври назаррас беҳтар мекунад. Вақте ки ҳарорати пеш аз синтеризатсия барои раванди дуқадам ба 1600 ° C муқаррар карда мешавад, донаҳои β-Si₃N₄ чаҳорчӯбаро ташкил медиҳанд ва сӯрохиҳои пӯшида эҷод мекунанд. Пас аз синтеризатсияи пешакӣ, гармкунии минбаъда дар ҳарорати баланд ва фишори нитроген ба ҷараёни моеъ ва пур кардани моеъ мусоидат мекунад, ки ба бартараф кардани сӯрохиҳои пӯшида ва беҳтар кардани зичии сафолҳои Si₃N₄ мусоидат мекунад. Аз ин рӯ, намунаҳое, ки тавассути раванди синтеризатсияи ду марҳила истеҳсол карда мешаванд, нисбат ба намунаҳое, ки дар натиҷаи синтеризатсияи як қадам тавлид шудаанд, зичии баланд ва зичии нисбӣ нишон медиҳанд.
Марҳила ва микросохтор Ҳангоми синтеризатсияи якқадам, вақт барои азнавташкилдиҳии зарраҳо ва диффузияи сарҳади дона маҳдуд аст. Дар раванди синтеризатсияи ду марҳила, қадами аввал дар ҳарорати паст ва фишори газ гузаронида мешавад, ки вақти азнавсозии зарраҳоро дароз мекунад ва ба донаҳои калонтар оварда мерасонад. Пас аз он ҳарорат ба марҳилаи ҳарорати баланд баланд мешавад, ки дар он донаҳо тавассути раванди пухтани Оствальд афзоиш меёбанд ва сафолҳои зичии баланд Si₃N₄ медиҳанд.
Хусусиятҳои механикӣ Нарм шудани марҳилаи байнигранулаҳо дар ҳарорати баланд сабаби асосии паст шудани қувват мебошад. Ҳангоми синтеризатсияи якқадам, афзоиши ғайримуқаррарии ғалла дар байни донаҳо сӯрохиҳои хурд ба вуҷуд меорад, ки ба беҳбудии назарраси қувват дар ҳарорати баланд монеъ мешавад. Бо вуҷуди ин, дар раванди синтеризатсияи ду марҳила, марҳилаи шишагӣ, ки дар сарҳадҳои ғалла яксон тақсим карда мешавад ва донаҳои якхела қувваи байнигрануляриро афзоиш медиҳанд, ки дар натиҷа қувваи печонидани ҳарорат баландтар мешавад.
Хулоса, нигоҳдории тӯлонӣ ҳангоми синтеризатсияи як қадам метавонад ба таври муассир сӯрохии дохилиро коҳиш диҳад ва ранг ва сохтори дохилиро ба даст орад, аммо метавонад ба афзоиши ғайримуқаррарии донаҳо оварда расонад, ки хосиятҳои муайяни механикиро вайрон мекунад. Тавассути истифодаи як раванди думарҳилаи синтеризатсия - бо истифода аз синтеризатсияи пеш аз ҳарорати паст барои дароз кардани вақти азнавсозии зарраҳо ва нигоҳдории ҳарорати баланд барои мусоидат ба афзоиши якхелаи ғалла - сафоли Si₃N₄ бо зичии нисбии 98,25%, микроструктураи якхела ва хосиятҳои хуби механикӣ бомуваффакият тайёр кардан мумкин аст.
| Ном | Субстрат | Таркиби қабати эпитаксиалӣ | Раванди эпитаксиалӣ | Муҳити эпитаксиалӣ |
| Гомоэпитаксиали кремний | Si | Si | Эпитаксияи марҳилаи буғ (VPE) | SiCl4+H2 |
| Гетероэпитаксиали кремний | Сафир ё шпинел | Si | Эпитаксияи марҳилаи буғ (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs гомоэпитаксиалӣ | GaAs | GaAs GaAs | Эпитаксияи марҳилаи буғ (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | Эпитаксияи чӯби молекулавӣ (MBE) | Ga+As | |
| GaAs гетероэпитаксиалӣ | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | Эпитаксияи марҳилаи моеъ (LPE) Фазаи буғ (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Га+Аш3+PH3+CHl+H2 |
| GaP гомоэпитаксиалӣ | ГаП | GaP(GaP;N) | Эпитаксияи марҳилаи моеъ (LPE) Эпитаксияи марҳилаи моеъ (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| Superlattice | GaAs | GaAlAs/GaAs (сикл) | Эпитаксияи чӯби молекулавӣ (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP гомоэпитаксиалӣ | InP | InP | Эпитаксияи марҳилаи буғ (VPE) Эпитаксияи марҳилаи моеъ (LPE) | PCl3+In+H2 Дар+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Epitaxy Si/GaAs | Si | GaAs | Эпитаксияи чӯби молекулавӣ (MBE) МОГВД | Га, Ас GaR₃+AsH₃+H₂ |
Вақти интишор: Декабр-24-2024