सिलिकॉन नाइट्राइड (Si₃N₄) सिरेमिक, उन्नत संरचनात्मक सिरेमिक के रूप में, उच्च तापमान प्रतिरोध, उच्च शक्ति, उच्च क्रूरता, उच्च कठोरता, रेंगना प्रतिरोध, ऑक्सीकरण प्रतिरोध और पहनने के प्रतिरोध जैसे उत्कृष्ट गुण रखते हैं। इसके अतिरिक्त, वे अच्छा तापीय आघात प्रतिरोध, ढांकता हुआ गुण, उच्च तापीय चालकता और उत्कृष्ट उच्च आवृत्ति विद्युत चुम्बकीय तरंग संचरण प्रदर्शन प्रदान करते हैं। ये उत्कृष्ट व्यापक गुण उन्हें जटिल संरचनात्मक घटकों, विशेष रूप से एयरोस्पेस और अन्य उच्च-तकनीकी क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग करते हैं।
हालाँकि, Si₃N₄, मजबूत सहसंयोजक बंधनों वाला एक यौगिक होने के कारण, इसकी एक स्थिर संरचना होती है जो अकेले ठोस-अवस्था प्रसार के माध्यम से उच्च घनत्व के लिए सिंटरिंग को कठिन बना देती है। सिंटरिंग को बढ़ावा देने के लिए, तरल-चरण सिंटरिंग तंत्र के माध्यम से घनत्व को सुविधाजनक बनाने के लिए धातु ऑक्साइड (MgO, CaO, Al₂O₃) और दुर्लभ पृथ्वी ऑक्साइड (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) जैसे सिंटरिंग सहायक उपकरण जोड़े जाते हैं।
वर्तमान में, वैश्विक सेमीकंडक्टर डिवाइस तकनीक उच्च वोल्टेज, बड़ी धाराओं और अधिक बिजली घनत्व की ओर आगे बढ़ रही है। Si₃N₄ सिरेमिक बनाने की विधियों पर शोध व्यापक है। यह लेख सिंटरिंग प्रक्रियाओं का परिचय देता है जो सिलिकॉन नाइट्राइड सिरेमिक के घनत्व और व्यापक यांत्रिक गुणों को प्रभावी ढंग से सुधारता है।
Si₃N₄ सिरेमिक के लिए सामान्य सिंटरिंग विधियाँ
विभिन्न सिंटरिंग विधियों द्वारा तैयार Si₃N₄ सिरेमिक के प्रदर्शन की तुलना
1. रिएक्टिव सिंटरिंग (आरएस):रिएक्टिव सिंटरिंग औद्योगिक रूप से Si₃N₄ सिरेमिक तैयार करने के लिए इस्तेमाल की जाने वाली पहली विधि थी। यह सरल, लागत प्रभावी और जटिल आकार बनाने में सक्षम है। हालाँकि, इसका उत्पादन चक्र लंबा है, जो औद्योगिक पैमाने पर उत्पादन के लिए अनुकूल नहीं है।
2. दबाव रहित सिंटरिंग (पीएलएस):यह सबसे बुनियादी और सरल सिंटरिंग प्रक्रिया है। हालाँकि, इसके लिए उच्च गुणवत्ता वाले Si₃N₄ कच्चे माल की आवश्यकता होती है और अक्सर कम घनत्व, महत्वपूर्ण संकोचन और दरार या विकृत होने की प्रवृत्ति वाले सिरेमिक का परिणाम होता है।
3. हॉट-प्रेस सिंटरिंग (एचपी):एकअक्षीय यांत्रिक दबाव के अनुप्रयोग से सिंटरिंग के लिए प्रेरक शक्ति बढ़ जाती है, जिससे दबाव रहित सिंटरिंग में उपयोग किए जाने वाले तापमान की तुलना में 100-200 डिग्री सेल्सियस कम तापमान पर घने सिरेमिक का उत्पादन किया जा सकता है। इस विधि का उपयोग आमतौर पर अपेक्षाकृत सरल ब्लॉक-आकार के सिरेमिक के निर्माण के लिए किया जाता है, लेकिन सब्सट्रेट सामग्री के लिए मोटाई और आकार की आवश्यकताओं को पूरा करना मुश्किल है।
4. स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग (एसपीएस):एसपीएस की विशेषता तेज़ सिंटरिंग, अनाज शोधन और कम सिंटरिंग तापमान है। हालाँकि, एसपीएस को उपकरणों में महत्वपूर्ण निवेश की आवश्यकता होती है, और एसपीएस के माध्यम से उच्च तापीय चालकता Si₃N₄ सिरेमिक की तैयारी अभी भी प्रायोगिक चरण में है और अभी तक औद्योगिकीकरण नहीं किया गया है।
5. गैस-प्रेशर सिंटरिंग (जीपीएस):गैस का दबाव लागू करके, यह विधि उच्च तापमान पर सिरेमिक अपघटन और वजन घटाने को रोकती है। उच्च-घनत्व वाले सिरेमिक का उत्पादन करना आसान है और बैच उत्पादन को सक्षम बनाता है। हालाँकि, एकल-चरण गैस-दबाव सिंटरिंग प्रक्रिया समान आंतरिक और बाहरी रंग और संरचना के साथ संरचनात्मक घटकों का उत्पादन करने के लिए संघर्ष करती है। दो-चरणीय या बहु-चरणीय सिंटरिंग प्रक्रिया का उपयोग करने से इंटरग्रेन्युलर ऑक्सीजन सामग्री को काफी कम किया जा सकता है, तापीय चालकता में सुधार हो सकता है और समग्र गुणों में वृद्धि हो सकती है।
हालाँकि, दो-चरणीय गैस-दबाव सिंटरिंग के उच्च सिंटरिंग तापमान ने पिछले शोध को मुख्य रूप से उच्च तापीय चालकता और कमरे के तापमान पर झुकने की ताकत के साथ Si₃N₄ सिरेमिक सब्सट्रेट तैयार करने पर ध्यान केंद्रित करने के लिए प्रेरित किया है। व्यापक यांत्रिक गुणों और उच्च तापमान यांत्रिक गुणों वाले Si₃N₄ सिरेमिक पर अनुसंधान अपेक्षाकृत सीमित है।
Si₃N₄ के लिए गैस-दबाव दो-चरण सिंटरिंग विधि
चोंगकिंग यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के यांग झोउ और उनके सहयोगियों ने 1800 डिग्री सेल्सियस पर एक-चरण और दो-चरण गैस-दबाव सिंटरिंग प्रक्रियाओं का उपयोग करके Si₃N₄ सिरेमिक तैयार करने के लिए 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ की एक सिंटरिंग सहायता प्रणाली का उपयोग किया। दो-चरणीय सिंटरिंग प्रक्रिया द्वारा उत्पादित Si₃N₄ सिरेमिक में उच्च घनत्व और बेहतर व्यापक यांत्रिक गुण थे। निम्नलिखित Si₃N₄ सिरेमिक घटकों के माइक्रोस्ट्रक्चर और यांत्रिक गुणों पर एक-चरण और दो-चरण गैस-दबाव सिंटरिंग प्रक्रियाओं के प्रभावों का सारांश देता है।
घनत्व Si₃N₄ की घनत्वीकरण प्रक्रिया में आम तौर पर तीन चरण शामिल होते हैं, चरणों के बीच ओवरलैप होता है। पहला चरण, कण पुनर्व्यवस्था, और दूसरा चरण, विघटन-वर्षा, सघनीकरण के लिए सबसे महत्वपूर्ण चरण हैं। इन चरणों में पर्याप्त प्रतिक्रिया समय नमूना घनत्व में काफी सुधार करता है। जब दो-चरण वाली सिंटरिंग प्रक्रिया के लिए प्री-सिंटरिंग तापमान 1600°C पर सेट किया जाता है, तो β-Si₃N₄ अनाज एक ढांचा बनाते हैं और बंद छिद्र बनाते हैं। प्री-सिंटरिंग के बाद, उच्च तापमान और नाइट्रोजन दबाव के तहत आगे हीटिंग तरल-चरण प्रवाह और भरने को बढ़ावा देता है, जो बंद छिद्रों को खत्म करने में मदद करता है, जिससे Si₃N₄ सिरेमिक के घनत्व में और सुधार होता है। इसलिए, दो-चरणीय सिंटरिंग प्रक्रिया द्वारा उत्पादित नमूने एक-चरणीय सिंटरिंग द्वारा उत्पादित नमूनों की तुलना में अधिक घनत्व और सापेक्ष घनत्व दिखाते हैं।
चरण और सूक्ष्म संरचना एक-चरण सिंटरिंग के दौरान, कण पुनर्व्यवस्था और अनाज सीमा प्रसार के लिए उपलब्ध समय सीमित है। दो-चरणीय सिंटरिंग प्रक्रिया में, पहला चरण कम तापमान और कम गैस दबाव पर आयोजित किया जाता है, जो कण पुनर्व्यवस्था समय को बढ़ाता है और बड़े अनाज का परिणाम देता है। फिर तापमान को उच्च-तापमान चरण तक बढ़ा दिया जाता है, जहां ओस्टवाल्ड पकने की प्रक्रिया के माध्यम से अनाज बढ़ता रहता है, जिससे उच्च घनत्व वाले Si₃N₄ सिरेमिक मिलते हैं।
यांत्रिक गुण उच्च तापमान पर अंतरकणीय चरण का नरम होना कम ताकत का प्राथमिक कारण है। एक-चरण सिंटरिंग में, अनाज की असामान्य वृद्धि अनाज के बीच छोटे छिद्र बनाती है, जो उच्च तापमान की ताकत में महत्वपूर्ण सुधार को रोकती है। हालाँकि, दो-चरण वाली सिंटरिंग प्रक्रिया में, कांच का चरण, अनाज की सीमाओं में समान रूप से वितरित होता है, और समान आकार के अनाज अंतर-कणीय ताकत को बढ़ाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च तापमान पर झुकने की ताकत होती है।
निष्कर्ष में, एक-चरण सिंटरिंग के दौरान लंबे समय तक रखने से आंतरिक सरंध्रता को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है और एक समान आंतरिक रंग और संरचना प्राप्त की जा सकती है, लेकिन इससे अनाज की असामान्य वृद्धि हो सकती है, जो कुछ यांत्रिक गुणों को कम कर देती है। दो-चरणीय सिंटरिंग प्रक्रिया को नियोजित करके - कण पुनर्व्यवस्था समय को बढ़ाने के लिए कम तापमान पूर्व-सिंटरिंग का उपयोग करके और समान अनाज विकास को बढ़ावा देने के लिए उच्च तापमान धारण करके - 98.25% के सापेक्ष घनत्व, समान सूक्ष्म संरचना और उत्कृष्ट व्यापक यांत्रिक गुणों के साथ एक Si₃N₄ सिरेमिक सफलतापूर्वक तैयार किया जा सकता है।
| नाम | सब्सट्रेट | एपीटैक्सियल परत संरचना | एपिटैक्सियल प्रक्रिया | एपिटैक्सियल माध्यम |
| सिलिकॉन होमोएपिटैक्सियल | Si | Si | वाष्प चरण एपिटैक्सी (VPE) | SiCl4+H2 |
| सिलिकॉन हेटेरोएपिटैक्सियल | नीलमणि या स्पिनेल | Si | वाष्प चरण एपिटैक्सी (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs होमोएपिटैक्सियल | GaAs | GaAs GaAs | वाष्प चरण एपिटैक्सी (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | आण्विक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) | गा+अस | |
| GaAs हेटेरोएपिटैक्सियल | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई) वाष्प चरण (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 गा+एश3+ पीएच3+सीएचएल+एच2 |
| गैप होमोएपिटैक्सियल | अंतर | गैप(GaP;N) | तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई) तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई) | Ga+GaP+H2+(एनएच3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| सुपरलैटिस | GaAs | GaAlAs/GaAs (चक्र) | आण्विक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) एमओसीवीडी | सीए, एएस, अल GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| आईएनपी होमोएपिटैक्सियल | इनपी | इनपी | वाष्प चरण एपिटैक्सी (VPE) तरल चरण एपिटैक्सी (एलपीई) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs एपिटैक्सी | Si | GaAs | आण्विक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) MOGVD | गा、अस GaR₃+AsH₃+H₂ |
पोस्ट करने का समय: दिसंबर-24-2024