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邹小姐：13326633089 -
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目前碳化(hua)硅(gui)（SiC）是国内外研究较(jiao)为活跃(yue)的导(dao)热(re)陶瓷材料(liao)。SiC的理论(lun)热(re)导(dao)率非常高，有些晶型可达到270W/mK，在非导电(dian)材料中(zhong)已属(shu)佼佼者。例如(ru)，在半导体器(qi)件的(de)(de)(de)基底(di)材料(liao)、高(gao)导热陶瓷材料(liao)、半导体加(jia)工的(de)(de)(de)加(jia)热器(qi)和加(jia)热板、核(he)燃料(liao)的(de)(de)(de)胶(jiao)囊材料(liao)以及压缩机(ji)泵(beng)的(de)(de)(de)气(qi)密封环(huan)中(zhong)，都可以看到SiC导热性能的应用。
碳化硅(gui)在半导体领域的应用
研(yan)磨(mo)(mo)盘(pan)、夹具均是(shi)半(ban)导(dao)体工业中硅晶(jing)片生产的(de)(de)重要(yao)工艺装备。研(yan)磨(mo)(mo)盘(pan)若使用(yong)铸铁或(huo)碳钢材料(liao)，其使用(yong)寿命短、热膨胀(zhang)系(xi)数大，在加工硅晶(jing)片过程中，特别(bie)是(shi)高速研(yan)磨(mo)(mo)或(huo)抛光(guang)时，由于研(yan)磨(mo)(mo)盘(pan)的(de)(de)磨(mo)(mo)损和热变(bian)形，使硅晶(jing)片的(de)(de)平(ping)面(mian)度和平(ping)行度难以保(bao)证。采用(yong)碳化硅(gui)陶瓷的研磨盘由于硬度高而磨损小，且热膨胀(zhang)系数与硅晶片基本相同，因而可以(yi)高速研磨抛光。
▲（a）研磨盘；（b）夹具
另外，在硅(gui)晶片生产时，需要经过高温(wen)热(re)(re)处理，常使用(yong)碳化硅(gui)夹具运(yun)输，其耐热(re)(re)、无损，可在表面涂(tu)敷(fu)类金刚石（DLC）等涂层(ceng)，可(ke)增(zeng)强性能，缓解晶片损坏，同时防止(zhi)污染扩散(san)。
此(ci)外，作为第三(san)代宽带隙半导体材料的代表，碳化硅单晶(jing)材(cai)料具有禁带宽度大（约(yue)为Si的(de)3倍(bei)）、热导率(lv)高(gao)（约(yue)为Si的(de)3.3倍(bei)或GaAs的(de)10倍(bei)）、电子饱(bao)和(he)迁移速(su)率(lv)高(gao)（约(yue)为Si的(de)2.5倍(bei)）和(he)击穿(chuan)电场高(gao)（约(yue)为Si的(de)10倍(bei)或GaAs的(de)5倍(bei)）等性质(zhi)。SiC器件弥补了传统半(ban)导体材料器件在实际应用中的(de)缺陷，正逐渐成为功率(lv)半(ban)导体的(de)主流。
高(gao)导热碳化(hua)硅陶(tao)瓷的(de)需(xu)求量急剧增长
随(sui)着科技的不断(duan)发展，碳(tan)化硅陶瓷在半导体(ti)领域的应用需求(qiu)量急(ji)剧(ju)增长，而高热导率是其应用于半导体(ti)制造设备元器件的关(guan)键指标，因(yin)此加强(qiang)高(gao)导(dao)热碳化硅(gui)陶瓷(ci)的(de)研究至关重(zhong)要。减少晶格(ge)氧含量、提高(gao)致密性、合理调控(kong)第二相在晶格(ge)中的(de)分布方(fang)式是(shi)提高(gao)碳化硅(gui)陶瓷(ci)热导(dao)率的(de)主要方(fang)法。
目前(qian)，我国有关(guan)高(gao)导热碳化(hua)硅陶瓷的(de)研究(jiu)较(jiao)少，且与世界水平相比尚存在较(jiao)大差距，今(jin)后的(de)研究(jiu)方向(xiang)包括：
加强碳化(hua)(hua)硅(gui)陶(tao)瓷粉(fen)体(ti)的制备工艺研(yan)究，高(gao)纯、低氧碳化(hua)(hua)硅(gui)粉(fen)的制备是实现高(gao)热导率(lv)碳化(hua)(hua)硅(gui)陶(tao)瓷制备的基础(chu)；
加强烧结(jie)助剂的选择及其(qi)相关理论研究；
加(jia)强高(gao)端烧(shao)结装备的研发，通过调控烧(shao)结工(gong)艺得到(dao)合理的显微结(jie)构(gou)是获得高热导率碳化硅陶(tao)瓷的必备条(tiao)件。
提升(sheng)碳(tan)化(hua)硅陶瓷热导率的措施
SiC陶(tao)瓷热(re)导率的(de)(de)关键(jian)是(shi)降低声子散射(she)频率，提(ti)升(sheng)声子平均自由程。通过(guo)降低SiC陶(tao)瓷的(de)(de)气孔率和晶(jing)界(jie)(jie)密度、提(ti)升(sheng)SiC晶(jing)界(jie)(jie)纯洁(jie)度、减少SiC晶(jing)格杂质(zhi)或晶(jing)格缺陷、增(zeng)加SiC中热(re)流传(chuan)输载体将(jiang)有效(xiao)提(ti)升(sheng)SiC的(de)(de)热(re)导率。目(mu)前，优化烧结(jie)助(zhu)剂种(zhong)类及含量、高温(wen)热(re)处理(li)等是(shi)改善SiC陶(tao)瓷热(re)导率的(de)(de)主(zhu)要措施(shi)。
①优化(hua)烧结助剂种类(lei)及(ji)含量
制备高导(dao)热(re)SiC陶瓷时常需(xu)添(tian)加各(ge)种烧结助(zhu)剂。其中，烧结助(zhu)剂的(de)种类(lei)及含量对SiC陶瓷热导率(lv)的(de)影响较大，如Al2O3体(ti)系烧结助(zhu)剂中的Al或O元(yuan)素(su)易固溶(rong)进SiC晶(jing)格，产生(sheng)空(kong)位(wei)和缺(que)陷，导致声子散射(she)频率增(zeng)大(da)。此外，若(ruo)烧(shao)结助(zhu)(zhu)剂含量较低，材料难以烧(shao)结致密化(hua)，而(er)烧(shao)结助(zhu)(zhu)剂含量较高将导致杂质和缺(que)陷增(zeng)多，过量液相烧(shao)结助(zhu)(zhu)剂还可(ke)能抑制SiC晶(jing)粒长大(da)，降低声子平均自由程。因此，为制备得(de)到高导热(re)SiC陶瓷，需在满足其烧(shao)结致密的前提下尽可(ke)能减少(shao)烧(shao)结助(zhu)(zhu)剂含量，且尽量选择难溶(rong)于SiC晶(jing)格的烧(shao)结助(zhu)(zhu)剂。
▼添加不同(tong)烧结助剂时SiC陶瓷的热学性能
目前，以(yi)BeO为烧结(jie)助剂的热压烧结(jie)SiC陶(tao)瓷具有最大(da)常温热导率(lv)(270W·m-1·K-1)。但BeO为(wei)剧(ju)毒材(cai)料且具有致癌性，不(bu)适合实验室或工业(ye)领(ling)域(yu)的广泛应用。Y2O3-Al2O3体系的最低共(gong)熔点为1760℃，是SiC陶瓷常见(jian)的液相烧结(jie)助剂，但由(you)于Al3+易固溶进(jin)SiC晶格，因(yin)此以该体(ti)系为烧结助剂(ji)时，SiC陶瓷的常(chang)温热导(dao)率均小(xiao)于200W·m-1·K-1。
Y，Sm，Sc，Gd和(he)La等稀土(tu)元素不易溶于SiC晶格(ge)，且具有较(jiao)高氧亲和(he)力，能有效降低SiC晶格(ge)氧含量，因此Y2O3-RE2O3(RE=Sm，Sc，Gd，La)体系是制(zhi)备(bei)高导热(>200W·m-1·K-1)SiC陶瓷的(de)常用烧结助(zhu)剂(ji)。以(yi)Y2O3-Sc2O3体(ti)系烧结助剂为例，Y3+与(yu)Si4+的离子(zi)偏差值较大，两者不发生固(gu)溶，而1800~2600℃下Sc在(zai)纯SiC中(zhong)的溶解(jie)度较小，约为(2~3)×1017atoms·cm-3。
②高温(wen)热处理
对SiC陶(tao)瓷(ci)进(jin)行高温热处(chu)理，有(you)利于消(xiao)除晶(jing)格(ge)缺(que)陷、位错(cuo)和(he)残余(yu)应力，促(cu)进(jin)材料中部分非晶(jing)体向晶(jing)体的结构(gou)转(zhuan)变(bian)，减弱声子散射作用。此外，高温热处(chu)理可有(you)效促(cu)进(jin)SiC晶(jing)粒生长，最(zui)终(zhong)提升材料的热学性能(neng)，如SiC陶(tao)瓷(ci)经1950℃高温热处(chu)理后，其热扩散系(xi)数由83.03mm2·s-1增加至89.50mm2·s-1，常(chang)温热导率由(you)180.94W·m-1·K-1增(zeng)加至192.17W·m-1·K-1。高温热处理有效改善了烧结(jie)助(zhu)剂对SiC表面及晶格的除氧能力，并(bing)使SiC晶粒(li)间连接更紧密。经高温(wen)热处理后，SiC陶瓷的常温(wen)热导率得到(dao)了明(ming)显提升。
