सिलिकॉन नायट्राइड (Si₃N₄) सिरॅमिक्स, प्रगत स्ट्रक्चरल सिरॅमिक्स म्हणून, उच्च तापमान प्रतिकार, उच्च सामर्थ्य, उच्च कणखरता, उच्च कडकपणा, क्रिप प्रतिरोध, ऑक्सिडेशन प्रतिरोध आणि पोशाख प्रतिरोध यांसारखे उत्कृष्ट गुणधर्म आहेत. याव्यतिरिक्त, ते चांगले थर्मल शॉक प्रतिरोध, डायलेक्ट्रिक गुणधर्म, उच्च थर्मल चालकता आणि उत्कृष्ट उच्च-फ्रिक्वेंसी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक वेव्ह ट्रांसमिशन कार्यप्रदर्शन देतात. या उत्कृष्ट सर्वसमावेशक गुणधर्मांमुळे ते जटिल संरचनात्मक घटकांमध्ये, विशेषत: एरोस्पेस आणि इतर उच्च-तंत्रज्ञान क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.
तथापि, Si₃N₄, मजबूत सहसंयोजक बंध असलेले संयुग असल्याने, एक स्थिर रचना आहे जी केवळ घन-अवस्थेच्या प्रसाराद्वारे उच्च घनतेपर्यंत सिंटरिंग कठीण करते. सिंटरिंगला प्रोत्साहन देण्यासाठी, मेटल ऑक्साईड (MgO, CaO, Al₂O₃) आणि दुर्मिळ पृथ्वी ऑक्साइड (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) सारख्या सिंटरिंग एड्स जोडल्या जातात.
सध्या, जागतिक सेमीकंडक्टर उपकरण तंत्रज्ञान उच्च व्होल्टेज, मोठे प्रवाह आणि अधिक उर्जा घनतेकडे प्रगती करत आहे. Si₃N₄ सिरेमिक बनवण्याच्या पद्धतींचे संशोधन व्यापक आहे. हा लेख सिंटरिंग प्रक्रियांचा परिचय देतो जे सिलिकॉन नायट्राइड सिरॅमिक्सची घनता आणि सर्वसमावेशक यांत्रिक गुणधर्म प्रभावीपणे सुधारतात.
Si₃N₄ सिरॅमिक्ससाठी सामान्य सिंटरिंग पद्धती
वेगवेगळ्या सिंटरिंग पद्धतींनी तयार केलेल्या Si₃N₄ सिरॅमिक्सच्या कामगिरीची तुलना
1. प्रतिक्रियाशील सिंटरिंग (RS):औद्योगिकरित्या Si₃N₄ सिरेमिक तयार करण्यासाठी वापरण्यात येणारी पहिली पद्धत रिऍक्टिव्ह सिंटरिंग होती. हे सोपे, खर्च-प्रभावी आणि जटिल आकार तयार करण्यास सक्षम आहे. तथापि, त्याचे दीर्घ उत्पादन चक्र आहे, जे औद्योगिक-प्रमाण उत्पादनासाठी अनुकूल नाही.
2. प्रेशरलेस सिंटरिंग (PLS):ही सर्वात मूलभूत आणि सोपी सिंटरिंग प्रक्रिया आहे. तथापि, यासाठी उच्च-गुणवत्तेचा Si₃N₄ कच्चा माल आवश्यक आहे आणि अनेकदा कमी घनता, लक्षणीय संकोचन आणि क्रॅक किंवा विकृत होण्याची प्रवृत्ती असलेल्या सिरॅमिक्समध्ये परिणाम होतो.
3. हॉट-प्रेस सिंटरिंग (HP):अक्षीय यांत्रिक दाबाचा वापर सिंटरिंगसाठी प्रेरक शक्ती वाढवते, ज्यामुळे दाबरहित सिंटरिंगमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या तापमानापेक्षा 100-200°C कमी तापमानात दाट सिरॅमिक तयार करता येते. ही पद्धत सामान्यत: तुलनेने साध्या ब्लॉक-आकाराचे सिरेमिक तयार करण्यासाठी वापरली जाते परंतु सब्सट्रेट सामग्रीसाठी जाडी आणि आकाराची आवश्यकता पूर्ण करणे कठीण आहे.
4. स्पार्क प्लाझ्मा सिंटरिंग (एसपीएस):SPS जलद सिंटरिंग, धान्य शुद्धीकरण आणि कमी सिंटरिंग तापमान द्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहे. तथापि, SPS साठी उपकरणांमध्ये लक्षणीय गुंतवणूक आवश्यक आहे आणि SPS द्वारे उच्च थर्मल चालकता Si₃N₄ सिरेमिक तयार करणे अद्याप प्रायोगिक टप्प्यात आहे आणि अद्याप औद्योगिकीकरण झालेले नाही.
5. गॅस-प्रेशर सिंटरिंग (GPS):गॅस प्रेशर लागू करून, ही पद्धत उच्च तापमानात सिरेमिक विघटन आणि वजन कमी करण्यास प्रतिबंध करते. उच्च घनतेच्या सिरेमिकचे उत्पादन करणे सोपे आहे आणि बॅच उत्पादन सक्षम करते. तथापि, एकल-चरण गॅस-प्रेशर सिंटरिंग प्रक्रिया एकसमान अंतर्गत आणि बाह्य रंग आणि संरचनेसह संरचनात्मक घटक तयार करण्यासाठी संघर्ष करते. द्वि-चरण किंवा बहु-चरण सिंटरिंग प्रक्रियेचा वापर केल्याने आंतरग्रॅन्युलर ऑक्सिजन सामग्री लक्षणीयरीत्या कमी होऊ शकते, थर्मल चालकता सुधारू शकते आणि एकूण गुणधर्म वाढवू शकतात.
तथापि, द्वि-चरण गॅस-प्रेशर सिंटरिंगच्या उच्च सिंटरिंग तापमानामुळे पूर्वीच्या संशोधनात प्रामुख्याने उच्च थर्मल चालकता आणि खोली-तापमान झुकण्याची ताकद असलेले Si₃N₄ सिरेमिक सब्सट्रेट्स तयार करण्यावर लक्ष केंद्रित केले गेले आहे. सर्वसमावेशक यांत्रिक गुणधर्म आणि उच्च-तापमान यांत्रिक गुणधर्मांसह Si₃N₄ सिरॅमिक्सवरील संशोधन तुलनेने मर्यादित आहे.
Si₃N₄ साठी गॅस-प्रेशर टू-स्टेप सिंटरिंग पद्धत
यांग झोऊ आणि चोंगकिंग युनिव्हर्सिटी ऑफ टेक्नॉलॉजीच्या सहकाऱ्यांनी 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ सिंटरिंग एड सिस्टीम वापरून Si₃N₄ सिरॅमिक तयार करण्यासाठी एक-चरण आणि दोन-चरण गॅस-प्रेशर सिंटरिंग प्रक्रिया 10°C वर वापरली. द्वि-चरण सिंटरिंग प्रक्रियेद्वारे उत्पादित Si₃N₄ सिरॅमिक्समध्ये जास्त घनता आणि उत्तम व्यापक यांत्रिक गुणधर्म होते. Si₃N₄ सिरेमिक घटकांच्या मायक्रोस्ट्रक्चर आणि यांत्रिक गुणधर्मांवर एक-चरण आणि दोन-चरण गॅस-प्रेशर सिंटरिंग प्रक्रियेच्या परिणामांचा सारांश खालीलप्रमाणे आहे.
घनता Si₃N₄ च्या घनतेच्या प्रक्रियेमध्ये सामान्यत: तीन टप्प्यांचा समावेश होतो, टप्प्यांमधील ओव्हरलॅपसह. पहिला टप्पा, कणांची पुनर्रचना आणि दुसरा टप्पा, विघटन-पर्जन्य, घनतेसाठी सर्वात गंभीर टप्पे आहेत. या टप्प्यांमध्ये पुरेसा प्रतिक्रिया वेळ नमुन्याची घनता लक्षणीयरीत्या सुधारतो. जेव्हा दोन-चरण सिंटरिंग प्रक्रियेसाठी प्री-सिंटरिंग तापमान 1600°C वर सेट केले जाते, तेव्हा β-Si₃N₄ धान्य एक फ्रेमवर्क तयार करतात आणि बंद छिद्र तयार करतात. प्री-सिंटरिंगनंतर, उच्च तापमान आणि नायट्रोजनच्या दाबाखाली आणखी गरम केल्याने द्रव-फेज प्रवाह आणि भरणे प्रोत्साहन मिळते, जे बंद छिद्रे काढून टाकण्यास मदत करते, Si₃N₄ सिरॅमिक्सची घनता सुधारते. म्हणून, द्वि-चरण सिंटरिंग प्रक्रियेद्वारे उत्पादित नमुने एक-चरण सिंटरिंगद्वारे उत्पादित केलेल्या नमुनेपेक्षा जास्त घनता आणि सापेक्ष घनता दर्शवतात.
फेज आणि मायक्रोस्ट्रक्चर वन-स्टेप सिंटरिंग दरम्यान, कण पुनर्रचना आणि धान्य सीमा प्रसारासाठी उपलब्ध वेळ मर्यादित आहे. दोन-चरण सिंटरिंग प्रक्रियेत, पहिली पायरी कमी तापमानात आणि कमी गॅस दाबाने आयोजित केली जाते, ज्यामुळे कण पुनर्रचनाचा वेळ वाढतो आणि परिणामी मोठे धान्य होते. त्यानंतर तापमान उच्च-तापमानाच्या अवस्थेपर्यंत वाढवले जाते, जेथे ओस्टवाल्ड पिकण्याच्या प्रक्रियेद्वारे धान्य वाढत राहतात, ज्यामुळे उच्च-घनता Si₃N₄ सिरॅमिक्स मिळतात.
यांत्रिक गुणधर्म उच्च तापमानात आंतरग्रॅन्युलर टप्प्याचे मऊ होणे हे शक्ती कमी होण्याचे प्राथमिक कारण आहे. वन-स्टेप सिंटरिंगमध्ये, धान्याच्या असामान्य वाढीमुळे दाण्यांमधील लहान छिद्रे तयार होतात, ज्यामुळे उच्च-तापमान शक्तीमध्ये लक्षणीय सुधारणा होण्यास प्रतिबंध होतो. तथापि, दोन-चरण सिंटरिंग प्रक्रियेत, काचेचा टप्पा, धान्याच्या सीमांमध्ये समान रीतीने वितरित केला जातो आणि एकसमान आकाराचे धान्य आंतरग्रॅन्युलर सामर्थ्य वाढवतात, परिणामी उच्च-तापमान वाकण्याची ताकद वाढते.
शेवटी, एक-स्टेप सिंटरिंग दरम्यान दीर्घकाळ धरून ठेवल्याने प्रभावीपणे अंतर्गत सच्छिद्रता कमी होऊ शकते आणि एकसमान अंतर्गत रंग आणि रचना प्राप्त होऊ शकते परंतु धान्याची असामान्य वाढ होऊ शकते, ज्यामुळे विशिष्ट यांत्रिक गुणधर्म खराब होतात. दोन-चरण सिंटरिंग प्रक्रिया वापरून-कण पुनर्रचना वेळ वाढवण्यासाठी कमी-तापमान पूर्व-सिंटरिंग वापरून आणि समान धान्य वाढीस प्रोत्साहन देण्यासाठी उच्च-तापमान होल्डिंग-98.25% सापेक्ष घनता, एकसमान मायक्रोस्ट्रक्चर आणि उत्कृष्ट सर्वसमावेशक गुणधर्म असलेले Si₃N₄ सिरॅमिक यशस्वीरित्या तयार केले जाऊ शकते.
| नाव | थर | एपिटॅक्सियल लेयर रचना | एपिटॅक्सियल प्रक्रिया | एपिटॅक्सियल माध्यम |
| सिलिकॉन होमोपिटॅक्सियल | Si | Si | वाफ फेज एपिटॅक्सी (VPE) | SiCl4+H2 |
| सिलिकॉन हेटरोएपिटॅक्सियल | नीलम किंवा स्पिनल | Si | वाफ फेज एपिटॅक्सी (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs homoepitaxial | GaAs | GaAs GaAs | वाफ फेज एपिटॅक्सी (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | आण्विक बीम एपिटॅक्सी (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (एलपीई) वाष्प टप्पा (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| GaP homoepitaxial | GaP | GaP(GaP;N) | लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (एलपीई) लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (एलपीई) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| सुपरलॅटिस | GaAs | GaAlAs/GaAs (सायकल) | आण्विक बीम एपिटॅक्सी (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP homoepitaxial | InP | InP | वाफ फेज एपिटॅक्सी (VPE) लिक्विड फेज एपिटॅक्सी (एलपीई) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs एपिटॅक्सी | Si | GaAs | आण्विक बीम एपिटॅक्सी (MBE) MOGVD | गा, जसे GaR₃+AsH₃+H₂ |
पोस्ट वेळ: डिसेंबर-24-2024