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邹(zou)小姐：13326633089 -
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目(mu)前碳化硅（SiC）是国内(nei)外研(yan)究较(jiao)为活跃的(de)导(dao)热陶瓷材(cai)料。SiC的(de)理论热导(dao)率非常高，有些晶型可(ke)达到270W/mK，在非导(dao)电材(cai)料中已属佼佼者。例如，在(zai)半(ban)导体(ti)器件的(de)(de)基底材(cai)料(liao)、高导热(re)陶瓷材(cai)料(liao)、半(ban)导体(ti)加工(gong)的(de)(de)加热(re)器和加热(re)板、核(he)燃料(liao)的(de)(de)胶囊(nang)材(cai)料(liao)以及(ji)压(ya)缩机(ji)泵的(de)(de)气密封环中，都可以看到SiC导热性能的应用。
碳化(hua)硅在半(ban)导体领域的应(ying)用(yong)
研磨(mo)盘、夹(jia)具(ju)均是(shi)半导体工(gong)业中硅(gui)晶(jing)(jing)片(pian)生(sheng)产(chan)的重要工(gong)艺(yi)装备。研磨(mo)盘若使用(yong)铸铁或碳钢材料，其(qi)使用(yong)寿命短(duan)、热膨胀系数大，在加工(gong)硅(gui)晶(jing)(jing)片(pian)过程中，特(te)别是(shi)高速研磨(mo)或抛(pao)光时，由于研磨(mo)盘的磨(mo)损和(he)热变形(xing)，使硅(gui)晶(jing)(jing)片(pian)的平面(mian)度和(he)平行度难以保证。采用(yong)碳化硅陶瓷的研磨盘由(you)于硬度高而(er)磨损(sun)小，且热膨(peng)胀系数与硅晶片基(ji)本相同(tong)，因而(er)可(ke)以高速研磨抛(pao)光。
▲（a）研磨盘；（b）夹具(ju)
另外，在硅晶片生产时，需要经过高(gao)温热处理，常使(shi)用碳化硅夹具运输，其耐热、无损，可在表(biao)面涂敷类金刚石（DLC）等涂层(ceng)，可增强性能，缓解晶片损坏，同(tong)时防止污染扩散。
此外(wai)，作为第三(san)代宽带隙半导体材(cai)料的代表，碳化硅单(dan)晶材料具有禁带宽度大（约为Si的3倍）、热导(dao)率(lv)高(gao)（约为(wei)Si的3.3倍或(huo)(huo)GaAs的10倍）、电子饱和迁移(yi)速率(lv)高(gao)（约为(wei)Si的2.5倍）和击穿电场高(gao)（约为(wei)Si的10倍或(huo)(huo)GaAs的5倍）等性质。SiC器件弥(mi)补了(le)传统半导(dao)体材(cai)料器件在实际应用中的缺陷，正(zheng)逐渐(jian)成(cheng)为(wei)功(gong)率(lv)半导(dao)体的主流(liu)。
高(gao)导热碳化硅(gui)陶瓷的需求量急剧增长
随(sui)着科技的不断(duan)发展，碳化(hua)硅(gui)陶瓷在半(ban)导体领域的(de)应(ying)用(yong)(yong)需求量急剧增(zeng)长，而高热导率是(shi)其应(ying)用(yong)(yong)于半(ban)导体制造(zao)设备元器件的(de)关键指标(biao)，因此加强高导热碳化(hua)硅(gui)陶瓷的研(yan)究至关(guan)重要(yao)。减少晶(jing)格氧含量、提高致密性、合理(li)调控(kong)第二相在晶(jing)格中的分布方式是(shi)提高碳化(hua)硅(gui)陶瓷热导率的主要(yao)方法。
目前，我(wo)国(guo)有关高导(dao)热碳化硅陶(tao)瓷的(de)研究较(jiao)少，且与世(shi)界水(shui)平(ping)相比尚存(cun)在较(jiao)大差距(ju)，今后的(de)研究方向包括：
加强碳化(hua)硅(gui)陶瓷粉(fen)体(ti)的制(zhi)备工艺(yi)研究，高(gao)纯、低(di)氧碳化(hua)硅(gui)粉(fen)的制(zhi)备是(shi)实现高(gao)热导率碳化(hua)硅(gui)陶瓷制(zhi)备的基础；
加强烧结助(zhu)剂(ji)的选(xuan)择及其(qi)相关理(li)论(lun)研(yan)究；
  加强高端烧(shao)结(jie)装备的研发，通过调控烧(shao)结(jie)工艺得到合理的显微结构是(shi)获(huo)得高热导(dao)率(lv)碳化(hua)硅陶瓷的必备条件。
提升碳化(hua)硅(gui)陶瓷热导率的措(cuo)施(shi)
SiC陶瓷(ci)热(re)导(dao)率(lv)的关键是(shi)降低(di)声子散射频(pin)率(lv)，提(ti)升声子平均自由(you)程。通过降低(di)SiC陶瓷(ci)的气孔率(lv)和晶界密度(du)、提(ti)升SiC晶界纯洁度(du)、减少SiC晶格(ge)杂质或晶格(ge)缺陷、增加SiC中热(re)流(liu)传输(shu)载体将有(you)效(xiao)提(ti)升SiC的热(re)导(dao)率(lv)。目前，优化烧结(jie)助剂种(zhong)类(lei)及含量、高温热(re)处理等是(shi)改(gai)善SiC陶瓷(ci)热(re)导(dao)率(lv)的主(zhu)要措施。
①优化烧(shao)结助剂种类及含量
制备高导热(re)SiC陶(tao)瓷时常需添(tian)加各种(zhong)烧结(jie)助(zhu)剂(ji)。其(qi)中，烧结(jie)助(zhu)剂(ji)的种(zhong)类(lei)及(ji)含量对(dui)SiC陶(tao)瓷热导率的影响较(jiao)大，如Al2O3体(ti)系烧结助剂中(zhong)的Al或O元素易固溶(rong)进SiC晶格(ge)，产生空(kong)位(wei)和缺陷(xian)，导(dao)致声子散射(she)频率(lv)增大。此(ci)外(wai)，若烧(shao)结助剂含(han)量(liang)(liang)较(jiao)低(di)，材料难以烧(shao)结致密化(hua)，而(er)烧(shao)结助剂含(han)量(liang)(liang)较(jiao)高(gao)将导(dao)致杂质(zhi)和缺陷(xian)增多，过量(liang)(liang)液相烧(shao)结助剂还可能抑制SiC晶粒长大，降低(di)声子平均自由程。因此(ci)，为制备得到高(gao)导(dao)热SiC陶瓷，需在满(man)足其(qi)烧(shao)结致密的(de)前提下尽可能减少烧(shao)结助剂含(han)量(liang)(liang)，且尽量(liang)(liang)选(xuan)择难溶(rong)于(yu)SiC晶格(ge)的(de)烧(shao)结助剂。
▼添(tian)加不同烧(shao)结(jie)助剂时SiC陶瓷的热学(xue)性能
目前，以BeO为烧结(jie)助剂的热压烧结(jie)SiC陶瓷具有最大常温热导率(270W·m-1·K-1)。但BeO为剧毒材料且具有致癌性，不(bu)适合实验室或工业(ye)领域(yu)的广泛应(ying)用。Y2O3-Al2O3体系的最低共熔点为1760℃，是SiC陶瓷常见的液相烧结助剂，但由于Al3+易固溶进SiC晶格，因此以该(gai)体(ti)系(xi)为烧结助(zhu)剂时，SiC陶瓷的常温热导率均(jun)小于(yu)200W·m-1·K-1。
Y，Sm，Sc，Gd和La等稀土元素不易溶于SiC晶格(ge)(ge)，且具(ju)有较高氧亲和力，能(neng)有效降(jiang)低SiC晶格(ge)(ge)氧含量，因此(ci)Y2O3-RE2O3(RE=Sm，Sc，Gd，La)体系是(shi)制备(bei)高导热(>200W·m-1·K-1)SiC陶瓷(ci)的常用烧结助(zhu)剂(ji)。以(yi)Y2O3-Sc2O3体系(xi)烧结助剂为例(li)，Y3+与(yu)Si4+的离子偏差值较大，两者不发生(sheng)固溶(rong)，而1800~2600℃下Sc在(zai)纯(chun)SiC中的溶(rong)解(jie)度(du)较小，约为(wei)(2~3)×1017atoms·cm-3。
②高(gao)温热处理
对SiC陶(tao)瓷(ci)进(jin)行高(gao)温热(re)(re)处理(li)，有利于消除晶格缺陷、位(wei)错和(he)残(can)余应力，促(cu)进(jin)材料中部分非晶体向(xiang)晶体的结构转变，减弱声子散射(she)作用。此外，高(gao)温热(re)(re)处理(li)可(ke)有效(xiao)促(cu)进(jin)SiC晶粒生长，最终提升材料的热(re)(re)学性(xing)能，如SiC陶(tao)瓷(ci)经1950℃高(gao)温热(re)(re)处理(li)后，其热(re)(re)扩(kuo)散系数由83.03mm2·s-1增加至89.50mm2·s-1，常温热导率由180.94W·m-1·K-1增(zeng)加至192.17W·m-1·K-1。高(gao)温热处理有效改善了烧结助剂对(dui)SiC表面及晶格的除氧能力，并(bing)使SiC晶粒间(jian)连(lian)接(jie)更紧密。经高(gao)温热处理(li)后，SiC陶瓷(ci)的常温热导率(lv)得(de)到了明显(xian)提升。
