સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (Si₃N₄) સિરામિક્સ, અદ્યતન માળખાકીય સિરામિક્સ તરીકે, ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિકાર, ઉચ્ચ શક્તિ, ઉચ્ચ કઠિનતા, ઉચ્ચ કઠિનતા, ક્રીપ પ્રતિકાર, ઓક્સિડેશન પ્રતિકાર અને વસ્ત્રો પ્રતિકાર જેવા ઉત્તમ ગુણધર્મો ધરાવે છે. વધુમાં, તેઓ સારા થર્મલ શોક પ્રતિકાર, ડાઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ઉત્તમ ઉચ્ચ-આવર્તન ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક વેવ ટ્રાન્સમિશન કામગીરી પ્રદાન કરે છે. આ ઉત્કૃષ્ટ વ્યાપક ગુણધર્મો તેમને જટિલ માળખાકીય ઘટકોમાં, ખાસ કરીને એરોસ્પેસ અને અન્ય ઉચ્ચ તકનીકી ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
જો કે, Si₃N₄, મજબૂત સહસંયોજક બોન્ડ્સ સાથેનું સંયોજન હોવાને કારણે, એક સ્થિર માળખું ધરાવે છે જે એકલા ઘન-સ્થિતિના પ્રસાર દ્વારા ઉચ્ચ ઘનતા સુધી સિન્ટરિંગને મુશ્કેલ બનાવે છે. સિન્ટરિંગને પ્રોત્સાહન આપવા માટે, સિન્ટરિંગ એઇડ્સ, જેમ કે મેટલ ઓક્સાઇડ્સ (MgO, CaO, Al₂O₃) અને રેર અર્થ ઑક્સાઈડ્સ (Yb₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, CeO₂) ઉમેરવામાં આવે છે.
હાલમાં, વૈશ્વિક સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણ તકનીક ઉચ્ચ વોલ્ટેજ, મોટા પ્રવાહો અને વધુ પાવર ડેન્સિટી તરફ આગળ વધી રહી છે. Si₃N₄ સિરામિક્સ બનાવવાની પદ્ધતિઓમાં સંશોધન વ્યાપક છે. આ લેખ સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાઓનો પરિચય આપે છે જે સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સિરામિક્સની ઘનતા અને વ્યાપક યાંત્રિક ગુણધર્મોને અસરકારક રીતે સુધારે છે.
Si₃N₄ સિરામિક્સ માટે સામાન્ય સિન્ટરિંગ પદ્ધતિઓ
વિવિધ સિન્ટરિંગ પદ્ધતિઓ દ્વારા તૈયાર કરાયેલ Si₃N₄ સિરામિક્સ માટે પ્રદર્શનની સરખામણી
1. પ્રતિક્રિયાશીલ સિન્ટરિંગ (RS):ઔદ્યોગિક રીતે Si₃N₄ સિરામિક્સ તૈયાર કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી પ્રથમ પદ્ધતિ રિએક્ટિવ સિન્ટરિંગ હતી. તે સરળ, ખર્ચ-અસરકારક અને જટિલ આકાર બનાવવામાં સક્ષમ છે. જો કે, તેનું ઉત્પાદન ચક્ર લાંબુ છે, જે ઔદ્યોગિક ધોરણે ઉત્પાદન માટે અનુકૂળ નથી.
2. પ્રેશરલેસ સિન્ટરિંગ (PLS):આ સૌથી મૂળભૂત અને સરળ સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા છે. જો કે, તેને ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી Si₃N₄ કાચી સામગ્રીની જરૂર પડે છે અને તે ઘણી વખત ઓછી ઘનતા, નોંધપાત્ર સંકોચન અને ક્રેક અથવા વિકૃત થવાની વૃત્તિ સાથે સિરામિક્સમાં પરિણમે છે.
3. હોટ-પ્રેસ સિન્ટરિંગ (HP):અક્ષીય યાંત્રિક દબાણનો ઉપયોગ સિન્ટરિંગ માટે પ્રેરક બળમાં વધારો કરે છે, જેનાથી દબાણ રહિત સિન્ટરિંગમાં વપરાતા તાપમાન કરતાં 100-200°C નીચા તાપમાને ગાઢ સિરામિક્સનું ઉત્પાદન થઈ શકે છે. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પ્રમાણમાં સરળ બ્લોક-આકારના સિરામિક્સ બનાવવા માટે થાય છે પરંતુ સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી માટે જાડાઈ અને આકારની જરૂરિયાતોને પૂરી કરવી મુશ્કેલ છે.
4. સ્પાર્ક પ્લાઝ્મા સિન્ટરિંગ (SPS):SPS ઝડપી સિન્ટરિંગ, અનાજ શુદ્ધિકરણ અને ઘટાડેલા સિન્ટરિંગ તાપમાન દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. જો કે, SPS ને સાધનોમાં નોંધપાત્ર રોકાણની જરૂર છે, અને SPS દ્વારા ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા Si₃N₄ સિરામિક્સની તૈયારી હજુ પ્રાયોગિક તબક્કામાં છે અને હજુ સુધી ઔદ્યોગિકીકરણ થયું નથી.
5. ગેસ-પ્રેશર સિન્ટરિંગ (GPS):ગેસ પ્રેશર લાગુ કરીને, આ પદ્ધતિ ઉચ્ચ તાપમાને સિરામિક વિઘટન અને વજન ઘટાડવાને અટકાવે છે. ઉચ્ચ ઘનતાવાળા સિરામિક્સનું ઉત્પાદન કરવું સરળ છે અને બેચ ઉત્પાદનને સક્ષમ કરે છે. જો કે, સિંગલ-સ્ટેપ ગેસ-પ્રેશર સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા સમાન આંતરિક અને બાહ્ય રંગ અને બંધારણ સાથે માળખાકીય ઘટકો બનાવવા માટે સંઘર્ષ કરે છે. દ્વિ-પગલાની અથવા મલ્ટી-સ્ટેપ સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને ઇન્ટરગ્રેન્યુલર ઓક્સિજન સામગ્રીને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી શકે છે, થર્મલ વાહકતા સુધારી શકે છે અને એકંદર ગુણધર્મોને વધારી શકે છે.
જો કે, બે-સ્ટેપ ગેસ-પ્રેશર સિન્ટરિંગના ઊંચા સિન્ટરિંગ તાપમાને અગાઉના સંશોધનોને મુખ્યત્વે ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ઓરડાના તાપમાને બેન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થ સાથે Si₃N₄ સિરામિક સબસ્ટ્રેટ તૈયાર કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કર્યું છે. વ્યાપક યાંત્રિક ગુણધર્મો અને ઉચ્ચ-તાપમાન યાંત્રિક ગુણધર્મો સાથે Si₃N₄ સિરામિક્સ પર સંશોધન પ્રમાણમાં મર્યાદિત છે.
Si₃N₄ માટે ગેસ-પ્રેશર બે-સ્ટેપ સિન્ટરિંગ પદ્ધતિ
યાંગ ઝોઉ અને ચોંગકિંગ યુનિવર્સિટી ઓફ ટેક્નોલોજીના સાથીઓએ 5 wt.% Yb₂O₃ + 5 wt.% Al₂O₃ ની સિન્ટરિંગ એઇડ સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને Si₃N₄ સિરામિક્સ તૈયાર કરવા માટે એક-સ્ટેપ અને બે-સ્ટેપ ગેસ-પ્રેશર સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા 10°C પર બંનેનો ઉપયોગ કર્યો. બે-પગલાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા ઉત્પાદિત Si₃N₄ સિરામિક્સમાં ઉચ્ચ ઘનતા અને વધુ સારી વ્યાપક યાંત્રિક ગુણધર્મો હતી. Si₃N₄ સિરામિક ઘટકોના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર અને યાંત્રિક ગુણધર્મો પર એક-પગલાની અને બે-પગલાની ગેસ-પ્રેશર સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાઓની અસરોનો નીચેના સારાંશ આપે છે.
ઘનતા Si₃N₄ ની ઘનતા પ્રક્રિયામાં સામાન્ય રીતે ત્રણ તબક્કાઓનો સમાવેશ થાય છે, જેમાં તબક્કાઓ વચ્ચે ઓવરલેપ હોય છે. પ્રથમ તબક્કો, કણોની પુન: ગોઠવણી અને બીજો તબક્કો, વિસર્જન-અવક્ષેપ, ઘનતા માટેના સૌથી નિર્ણાયક તબક્કા છે. આ તબક્કામાં પૂરતો પ્રતિક્રિયા સમય નમૂનાની ઘનતામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરે છે. જ્યારે બે-પગલાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા માટે પ્રી-સિન્ટરિંગ તાપમાન 1600°C પર સેટ કરવામાં આવે છે, ત્યારે β-Si₃N₄ અનાજ એક ફ્રેમવર્ક બનાવે છે અને બંધ છિદ્રો બનાવે છે. પ્રી-સિન્ટરિંગ પછી, ઉચ્ચ તાપમાન અને નાઇટ્રોજન દબાણ હેઠળ વધુ ગરમ થવાથી પ્રવાહી-તબક્કાના પ્રવાહ અને ભરણને પ્રોત્સાહન મળે છે, જે બંધ છિદ્રોને દૂર કરવામાં મદદ કરે છે, Si₃N₄ સિરામિક્સની ઘનતામાં વધુ સુધારો કરે છે. તેથી, બે-પગલાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા ઉત્પાદિત નમૂનાઓ એક-પગલાની સિન્ટરિંગ દ્વારા ઉત્પાદિત કરતા વધુ ઘનતા અને સંબંધિત ઘનતા દર્શાવે છે.
તબક્કો અને માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર વન-સ્ટેપ સિન્ટરિંગ દરમિયાન, કણોની પુન: ગોઠવણી અને અનાજની સીમાના પ્રસાર માટે ઉપલબ્ધ સમય મર્યાદિત છે. બે-પગલાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયામાં, પ્રથમ પગલું નીચા તાપમાન અને નીચા ગેસના દબાણ પર હાથ ધરવામાં આવે છે, જે કણોની પુનઃ ગોઠવણીના સમયને લંબાવે છે અને મોટા અનાજમાં પરિણમે છે. ત્યારબાદ તાપમાનને ઉચ્ચ-તાપમાનના તબક્કામાં વધારવામાં આવે છે, જ્યાં ઓસ્ટવાલ્ડ પાકવાની પ્રક્રિયા દ્વારા અનાજ વધવાનું ચાલુ રાખે છે, ઉચ્ચ ઘનતા Si₃N₄ સિરામિક્સ પ્રાપ્ત કરે છે.
યાંત્રિક ગુણધર્મો ઊંચા તાપમાને ઇન્ટરગ્રેન્યુલર તબક્કાનું નરમ પડવું એ શક્તિમાં ઘટાડો થવાનું પ્રાથમિક કારણ છે. વન-સ્ટેપ સિન્ટરિંગમાં, અસાધારણ અનાજ વૃદ્ધિ અનાજની વચ્ચે નાના છિદ્રો બનાવે છે, જે ઉચ્ચ-તાપમાન શક્તિમાં નોંધપાત્ર સુધારો અટકાવે છે. જો કે, બે-પગલાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયામાં, કાચનો તબક્કો, એકસરખી રીતે અનાજની સીમાઓમાં વિતરિત થાય છે, અને એકસરખા કદના અનાજ આંતર-ગ્રાન્યુલર શક્તિને વધારે છે, પરિણામે ઉચ્ચ-તાપમાનની વક્રતા શક્તિ વધે છે.
નિષ્કર્ષમાં, એક-સ્ટેપ સિન્ટરિંગ દરમિયાન લાંબા સમય સુધી હોલ્ડિંગ અસરકારક રીતે આંતરિક છિદ્રાળુતાને ઘટાડી શકે છે અને સમાન આંતરિક રંગ અને માળખું પ્રાપ્ત કરી શકે છે પરંતુ અનાજની અસામાન્ય વૃદ્ધિ તરફ દોરી શકે છે, જે ચોક્કસ યાંત્રિક ગુણધર્મોને બગાડે છે. બે-પગલાની સિન્ટરિંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને - કણોની પુનઃરચનાનો સમય વધારવા માટે નીચા-તાપમાન પૂર્વ-સિન્ટરિંગનો ઉપયોગ કરીને અને સમાન અનાજની વૃદ્ધિને પ્રોત્સાહન આપવા માટે ઉચ્ચ-તાપમાન હોલ્ડિંગનો ઉપયોગ કરીને - 98.25% ની સાપેક્ષ ઘનતા, સમાન માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર અને ઉત્તમ વ્યાપક ગુણધર્મો સાથે Si₃N₄ સિરામિક સફળતાપૂર્વક તૈયાર કરી શકાય છે.
| નામ | સબસ્ટ્રેટ | એપિટેક્સિયલ સ્તરની રચના | એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયા | એપિટેક્સિયલ માધ્યમ |
| સિલિકોન હોમોપીટેક્સિયલ | Si | Si | વેપર ફેઝ એપિટેક્સી (VPE) | SiCl4+H2 |
| સિલિકોન હેટરોપીટેક્સિયલ | નીલમ અથવા સ્પાઇનલ | Si | વેપર ફેઝ એપિટેક્સી (VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs હોમોપીટેક્સિયલ | GaAs | GaAs GaAs | વેપર ફેઝ એપિટેક્સી (VPE) | AsCl₃+Ga+H₂ (Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | મોલેક્યુલર બીમ એપિટેક્સી (MBE) | Ga+As | |
| GaAs heteroepitaxial | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | લિક્વિડ ફેઝ એપિટેક્સી (LPE) વરાળ તબક્કો (VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CHl+H2 |
| ગેપી હોમોપીટેક્સિયલ | જીએપી | GaP(GaP;N) | લિક્વિડ ફેઝ એપિટેક્સી (LPE) લિક્વિડ ફેઝ એપિટેક્સી (LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| સુપરલેટીસ | GaAs | GaAlAs/GaAs (ચક્ર) | મોલેક્યુલર બીમ એપિટેક્સી (MBE) MOCVD | Ca, As, Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP હોમોપીટેક્સિયલ | InP | InP | વેપર ફેઝ એપિટેક્સી (VPE) લિક્વિડ ફેઝ એપિટેક્સી (LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H₂ |
| Si/GaAs એપિટેક્સી | Si | GaAs | મોલેક્યુલર બીમ એપિટેક્સી (MBE) MOGVD | ગા, જેમ GaR₃+AsH₃+H₂ |
પોસ્ટ સમય: ડિસેમ્બર-24-2024