सिलिकॉन कार्बाइड सिरेमिक की सघनीकरण चिंता: बाधा कहां है?

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सिरेमिक अपने कम तापीय विस्तार गुणांक, उच्च तापीय चालकता, उच्च कठोरता, अच्छी तापीय स्थिरता और उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता के कारण उच्च तापमान संरचनात्मक सिरेमिक के बीच एक महत्वपूर्ण स्थान रखता है। इनका व्यापक रूप से एयरोस्पेस, परमाणु ऊर्जा, सैन्य और अर्धचालक अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

क्योंकि SiC में बेहद मजबूत सहसंयोजक बंधन और बहुत कम प्रसार गुणांक है, इसलिए SiC सिरेमिक का पूर्ण घनत्व प्राप्त करना बेहद मुश्किल है। इसे संबोधित करने के लिए, कई सिंटरिंग तकनीकें विकसित की गई हैं, जिनमें प्रतिक्रिया सिंटरिंग, दबाव रहित ठोस-अवस्था सिंटरिंग, दबाव रहित तरल-चरण सिंटरिंग, गर्म दबाव और पुन: क्रिस्टलीकरण सिंटरिंग शामिल हैं।

01 रिएक्शन सिंटरिंग

प्रतिक्रिया-बंधित सिलिकॉन कार्बाइड (आरबीएससी) सिरेमिक की तैयारी प्रक्रिया इस प्रकार है: सबसे पहले, सीआईसी पाउडर, कार्बन पाउडर और कार्बनिक बाइंडर्स को एक निश्चित अनुपात में समान रूप से मिश्रित किया जाता है और एक हरे शरीर में बनाया जाता है; फिर, सिलिकॉन को उच्च तापमान पर घुसपैठ किया जाता है। सिलिकॉन कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करके द्वितीयक SiC बनाता है, जो मूल SiC कणों को एक साथ बांधता है। अंत में, अवशिष्ट मुक्त सिलिकॉन छिद्रों को भरता है, जिससे आरबीएससी सिरेमिक का उच्च घनत्व प्राप्त होता है।

प्रतिक्रिया सिंटरिंग के दौरान, पूर्ण सिलिकॉन घुसपैठ सुनिश्चित करने के लिए, हरे शरीर (‑SiC + C) में पर्याप्त छिद्र होना चाहिए; अन्यथा, केवल सतह क्षेत्र सिलिकीकृत हो जाएगा, जबकि केंद्र में अप्रतिक्रियाशील कार्बन और थोड़ी संख्या में छिद्र बने रहेंगे। इसलिए, हरित घनत्व को सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए। प्रारंभिक मिश्रण में -SiC और कार्बन की सामग्री, -SiC के कण आकार वितरण, कार्बन के आकार और आकार और गठन के दबाव को समायोजित करके उचित हरा घनत्व प्राप्त किया जा सकता है।

रिएक्शन सिंटरिंग एक निकट-नेट-आकार की प्रक्रिया है जिसमें सिंटरिंग के दौरान लगभग कोई संकोचन या आयामी परिवर्तन नहीं होता है। यह कम सिंटरिंग तापमान, उच्च उत्पाद घनत्व और कम उत्पादन लागत जैसे फायदे प्रदान करता है, जो इसे बड़े आकार, जटिल आकार के SiC सिरेमिक उत्पादों के निर्माण के लिए उपयुक्त बनाता है। हाल के वर्षों में, वेफर आकार और ताप-उपचार तापमान में वृद्धि के साथ, प्रतिक्रिया-बंधित SiC ने धीरे-धीरे क्वार्ट्ज ग्लास का स्थान ले लिया है। कुछ अवशिष्ट सिलिकॉन चरण वाले उच्च शुद्धता वाले SiC घटकों को उच्च शुद्धता वाले SiC पाउडर और उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन का उपयोग करके उत्पादित किया जा सकता है, और इन्हें व्यापक रूप से इलेक्ट्रॉन ट्यूब और सेमीकंडक्टर वेफर विनिर्माण उपकरण के लिए समर्थन फिक्स्चर के रूप में उपयोग किया जाता है।

दबाव रहित सिंटरिंग प्रक्रियाएँ
दबाव रहित सिंटरिंग को मुख्य रूप से ठोस-अवस्था सिंटरिंग और तरल-चरण सिंटरिंग में विभाजित किया गया है।

सॉलिड-स्टेट सिंटरिंग

1974 में, एस. प्रोचज़्का ने पहली बार उच्च शुद्धता वाले ‑SiC महीन पाउडर में थोड़ी मात्रा में बोरॉन और कार्बन मिलाकर एक दबाव रहित सिंटरिंग प्रक्रिया का उपयोग किया, जिससे 2020 डिग्री पर 98% से अधिक सापेक्ष घनत्व के साथ सफलतापूर्वक SiC सिंटर बॉडी प्राप्त हुई। सॉलिड-स्टेट सिंटेड SiC सिरेमिक को उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, लेकिन उनके भौतिक रासायनिक गुण स्थिर होते हैं, विशेष रूप से उच्च तापमान की ताकत में कोई बदलाव नहीं होता है, जिससे उन्हें विशेष अनुप्रयोग मूल्य मिलता है।

सॉलिड-स्टेट सिंटरिंग सिस्टम में, विभिन्न सिंटरिंग एडिटिव्स पेश किए जाते हैं। सबसे आम प्रणाली बी‑सी प्रणाली है, जहां बी और सी पाउडर या सीधे बी₄सी पाउडर को सिंटरिंग सहायक के रूप में जोड़ा जाता है। यह प्रणाली आम तौर पर 1900-2100 डिग्री पर सघन होती है और अच्छे गुणों के साथ SiC सिरेमिक उत्पन्न करती है। अल-सी प्रणाली का भी अक्सर उपयोग किया जाता है; अल मेटल बोरान के बाद दूसरा सबसे प्रभावी योजक है। इसके अलावा, AlN‑C प्रणाली का उपयोग SiC सिंटरिंग के लिए किया जाता है। बी की तुलना में, एएलएन का जोड़ प्रभावी रूप से सीआईसी अनाज की वृद्धि को दबा देता है।

SiC सिरेमिक की ठोस-अवस्था सिंटरिंग मुख्य रूप से घनत्व के लिए ठोस-अवस्था प्रसार तंत्र पर निर्भर करती है। ठोस-अवस्था सहायता को जोड़ने से तरल-चरण निर्माण से बचते हुए SiC अनाज के विकास को बढ़ावा मिलता है। हालाँकि, इस प्रणाली की कुछ सीमाएँ हैं: सबसे पहले, सिंटरिंग तापमान को 1900-2100 डिग्री की उच्च सीमा में बनाए रखा जाना चाहिए, जो न केवल महत्वपूर्ण ऊर्जा की खपत करता है बल्कि उपकरणों पर गंभीर आवश्यकताएं भी लगाता है; दूसरा, उच्च तापमान अनाज की असामान्य वृद्धि का कारण बन सकता है, जिससे भौतिक गुणों को नुकसान पहुँच सकता है; तीसरा, पूर्ण घनत्व के लिए अक्सर लंबे समय तक धारण करने की आवश्यकता होती है; इसके अलावा, इस प्रक्रिया में शुरुआती पाउडर के कण आकार, शुद्धता और एकरूपता पर सख्त मांग होती है।

तरल-चरण सिंटरिंग

तरल-चरण सिंटरिंग में कच्चे माल में एक निश्चित मात्रा में बहु-घटक कम-यूटेक्टिक ऑक्साइड जोड़ना शामिल है, जो उच्च तापमान पर एक तरल चरण बनाते हैं। यह द्रव्यमान-स्थानांतरण तंत्र को प्रसार से चिपचिपा प्रवाह में बदल देता है, जिससे घनत्व और सिंटरिंग तापमान के लिए आवश्यक ऊर्जा कम हो जाती है। साथ ही, अनाज-सीमा तरल चरण की शुरूआत से सामग्री की ताकत और कठोरता में काफी सुधार होता है।

SiC के Al₂O₃‑भागीदार तरल‑चरण सिंटरिंग में, Al₂O₃ उच्च तापमान पर SiC कण सतहों पर SiO₂ के साथ प्रतिक्रिया करके एक तरल चरण बनाता है, जो अनाज‑सीमा चरण के रूप में कार्य करता है और प्रसार पथ प्रदान करता है, SiC कणों को चिकनाई देता है और कण पुनर्व्यवस्था और घनत्व को बढ़ावा देता है। SiC के तरल-चरण सिंटरिंग को एक विघटन-पुनर्ग्रहण तंत्र द्वारा नियंत्रित किया जाता है, और इसका सिंटरिंग व्यवहार कच्चे माल की विशेषताओं से काफी प्रभावित होता है, जिसमें प्रारंभिक कण आकार, आकार वितरण, अशुद्धता सामग्री और क्रिस्टलीय चरण संरचना शामिल है। इस बीच, सिंटरिंग तापमान कुछ हद तक सिंटरिंग सहायता की मात्रा से प्रभावित होता है; उचित मात्रा में तरल-चरण सहायता सिंटरिंग तापमान को काफी कम कर सकती है, लेकिन कुछ हद तक गुणों को प्रभावित कर सकती है।

SiC के लिए सबसे आम तरल-चरण सिंटरिंग प्रणाली Al₂O‑Y₂O₃ प्रणाली है, जो Al₂O₃ के आधार पर Y₂O₃ को एक योज्य के रूप में पेश करती है, जिससे Al₂O₃‑Y₂O₃ प्रणाली बनती है। यह प्रणाली प्रभावी रूप से SiC के सिंटरिंग तापमान को कम करती है और सामग्री की सूक्ष्म संरचना और गुणों में सुधार करती है।

03 गर्म दबाव

गर्म दबाव में सूखे SiC पाउडर को उच्च शक्ति वाले ग्रेफाइट डाई में भरना और गर्म करते समय एक अक्षीय दबाव लागू करना, सिंटरिंग और SiC के गठन को प्राप्त करने के लिए उपयुक्त दबाव-तापमान-समय मापदंडों के साथ प्रक्रिया को नियंत्रित करना शामिल है। हॉट-प्रेस्ड SiC के लिए एडिटिव्स में Al, Fe, B, B₄C, Al₂O₃, AlN, BeO, B+C आदि शामिल हैं। इन एडिटिव्स के घनत्व तंत्र को मोटे तौर पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: एक सिंटरिंग को बढ़ावा देने के लिए SiC में अशुद्धियों के साथ एक तरल चरण बनाता है, और दूसरा SiC के साथ ठोस समाधान बनाता है, अनाज-सीमा ऊर्जा को कम करता है और सिंटरिंग को बढ़ावा देता है।

क्योंकि गर्म दबाने में ताप और दबाव एक साथ होता है, पाउडर थर्मोप्लास्टिक अवस्था में होता है, जो संपर्क प्रसार और चिपचिपा प्रवाह द्रव्यमान हस्तांतरण की सुविधा देता है। इससे महीन दाने, उच्च सापेक्ष घनत्व और अच्छे यांत्रिक गुणों वाले SiC सिरेमिक उत्पादों को कम सिंटरिंग तापमान और कम समय में प्राप्त किया जा सकता है। इस प्रक्रिया की कमियां इसके जटिल उपकरण और प्रक्रियाएं, डाई सामग्री की मांग, केवल सरल आकार बनाने की सीमित क्षमता, कम उत्पादकता और उच्च उत्पादन लागत हैं। हालाँकि, सेमीकंडक्टर निर्माण में, जहां सटीक उपकरणों और घटकों में उपयोग की जाने वाली सिरेमिक सामग्री के लिए प्रदर्शन की आवश्यकताएं बहुत अधिक हैं, संरचना, शुद्धता और घनत्व का नियंत्रण आर्थिक लागत से कहीं अधिक महत्वपूर्ण है। इसके अतिरिक्त, उत्पादों का उच्च वर्धित मूल्य गर्म दबाव को विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाता है।

04 पुनर्क्रिस्टलीकरण सिंटरिंग

पुनर्क्रिस्टलीकरण सिंटरिंग ने व्यापक ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि इसमें सिंटरिंग सहायता की आवश्यकता नहीं होती है। यह अति-उच्च-शुद्धता, बड़े आकार के SiC सिरेमिक घटकों के उत्पादन के लिए सबसे आम तरीका है। पुनर्क्रिस्टलीकृत SiC सिरेमिक की तैयारी प्रक्रिया इस प्रकार है: विभिन्न कण आकारों के मोटे और महीन SiC पाउडर को एक निश्चित अनुपात में मिलाया जाता है, और स्लिप कास्टिंग, डाई प्रेसिंग, एक्सट्रूज़न या अन्य तरीकों से हरे रंग की बॉडी बनाई जाती है; फिर, हरे पिंडों को निष्क्रिय वातावरण के तहत 2200-2450 डिग्री पर सिंटर किया जाता है। अंत में, बारीक कण धीरे-धीरे वाष्प चरण में वाष्पित हो जाते हैं और मोटे कणों के संपर्क बिंदुओं पर संघनित हो जाते हैं, जिससे एक पुन: क्रिस्टलीकृत सिरेमिक बनता है।

पुनर्क्रिस्टलीकरण सिंटरिंग अतिरिक्त लाभ प्रदान करता है: सिंटरिंग के दौरान, हरा शरीर लगभग कोई सिकुड़न नहीं दिखाता है, जिससे इसके टूटने या विरूपण की संभावना कम हो जाती है, इसलिए जटिल-आकार, उच्च-परिशुद्धता वाले सिरेमिक घटकों का उत्पादन किया जा सकता है; झरझरा पुनर्क्रिस्टलीकृत सिरेमिक तैयार करते समय, सरंध्रता और छिद्र आकार वितरण को संकीर्ण सीमाओं के भीतर आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है; पुनर्क्रिस्टलीकृत सिरेमिक में एक त्रि-आयामी परस्पर जुड़ी हुई छिद्रपूर्ण संरचना होती है, जिसमें ज्यादातर खुले छिद्र होते हैं, जो इसे कंपोजिट का उत्पादन करने के लिए दूसरे चरण के साथ घुसपैठ के लिए उपयुक्त बनाता है।