질화규소(Si₃N₄) 세라믹은 첨단 구조용 세라믹으로서 고온저항성, 고강도, 고인성, 고경도, 내크리프성, 내산화성, 내마모성 등의 우수한 특성을 가지고 있습니다. 또한 우수한 열충격 저항성, 유전 특성, 높은 열 전도성 및 우수한 고주파 전자파 전송 성능을 제공합니다. 이러한 뛰어난 포괄적 특성으로 인해 특히 항공우주 및 기타 첨단 기술 분야의 복잡한 구조 부품에 널리 사용됩니다.
그러나 Si₃N₄은 공유결합이 강한 화합물이기 때문에 안정된 구조를 갖고 있어 고체확산만으로는 고밀도로 소결이 어렵다. 소결촉진을 위해 금속산화물(MgO, CaO, Al2O₃), 희토류산화물(Yb2O₃, Y2O₃, Lu2O₃, CeO2) 등의 소결조제를 첨가하여 액상소결기구를 통해 치밀화를 촉진한다.
현재 전세계 반도체 소자 기술은 고전압, 대전류, 전력밀도화 방향으로 발전하고 있습니다. Si₃N₄ 세라믹을 제조하는 방법에 대한 연구는 광범위합니다. 이 기사에서는 질화규소 세라믹의 밀도와 포괄적인 기계적 특성을 효과적으로 향상시키는 소결 공정을 소개합니다.
Si₃N₄ 세라믹의 일반적인 소결 방법
다양한 소결 방법으로 제조된 Si₃N₄ 세라믹의 성능 비교
1. 반응성 소결(RS):반응성 소결은 Si₃N₄ 세라믹을 산업적으로 제조하는 데 사용된 최초의 방법이었습니다. 간단하고 비용 효율적이며 복잡한 형상을 형성할 수 있습니다. 그러나 생산주기가 길어 산업 규모 생산에 적합하지 않습니다.
2. 무압력 소결(PLS):이는 가장 기본적이고 간단한 소결공정이다. 그러나 고품질 Si₃N₄ 원료가 필요하며 밀도가 낮고 수축이 심하며 균열이나 변형 경향이 있는 세라믹이 생성되는 경우가 많습니다.
3. 핫프레스 소결(HP):단축 기계적 압력을 적용하면 소결의 추진력이 증가하여 무압력 소결에 사용되는 온도보다 100~200°C 낮은 온도에서 치밀한 세라믹을 생산할 수 있습니다. 이 방법은 일반적으로 상대적으로 단순한 블록 모양의 세라믹을 제조하는 데 사용되지만 기판 재료의 두께 및 모양 요구 사항을 충족하기가 어렵습니다.
4. 스파크 플라즈마 소결(SPS):SPS는 빠른 소결, 결정립 미세화 및 낮은 소결 온도를 특징으로 합니다. 그러나 SPS는 장비에 상당한 투자가 필요하며, SPS를 통한 고열전도성 Si₃N₄ 세라믹 제조는 아직 실험단계에 속해 아직 산업화되지 않았다.
5. 가스압력 소결(GPS):가스압력을 가하여 고온에서 세라믹의 분해와 중량감소를 억제하는 방식입니다. 고밀도 세라믹 생산이 용이하고 일괄 생산이 가능합니다. 그러나 단일 단계 가스 압력 소결 공정은 내부 및 외부 색상과 구조가 균일한 구조 부품을 생산하는 데 어려움을 겪습니다. 2단계 또는 다단계 소결 공정을 사용하면 입계 산소 함량을 크게 줄이고 열전도도를 향상시키며 전반적인 특성을 향상시킬 수 있습니다.
그러나 2단계 가스압력 소결의 높은 소결 온도로 인해 이전 연구에서는 높은 열 전도성과 상온 굽힘 강도를 갖는 Si₃N₄ 세라믹 기판을 제조하는 데 주로 초점이 맞춰졌습니다. 포괄적인 기계적 특성과 고온 기계적 특성을 지닌 Si₃N₄ 세라믹에 대한 연구는 상대적으로 제한적입니다.
Si₃N₄의 가스압력 2단계 소결 방법
Chongqing University of Technology의 Yang Zhou와 동료들은 1800°C에서 1단계 및 2단계 가스 압력 소결 공정을 모두 사용하여 Si₃N₄ 세라믹을 준비하기 위해 5wt.% Yb₂O₃ + 5wt.% Al₂O₃의 소결 보조 시스템을 사용했습니다. 2단계 소결 공정으로 생산된 Si₃N₄ 세라믹은 밀도가 더 높고 포괄적인 기계적 특성이 더 좋습니다. 다음은 Si₃N₄ 세라믹 부품의 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 1단계 및 2단계 가스 압력 소결 공정의 효과를 요약합니다.
밀도 Si₃N₄의 치밀화 과정은 일반적으로 3단계로 이루어지며 각 단계는 중첩됩니다. 첫 번째 단계인 입자 재배열과 두 번째 단계인 용해-석출은 치밀화에 가장 중요한 단계입니다. 이 단계에서 충분한 반응 시간은 시료 밀도를 크게 향상시킵니다. 2단계 소결 공정의 소결 전 온도를 1600°C로 설정하면 β-Si₃N₄ 입자가 골격을 형성하고 닫힌 기공을 생성합니다. 사전 소결 후 고온 및 질소 압력 하에서 추가로 가열하면 액상의 흐름과 충진이 촉진되어 닫힌 기공이 제거되어 Si₃N₄ 세라믹의 밀도가 더욱 향상됩니다. 따라서, 2단계 소결 공정으로 생산된 샘플은 1단계 소결 공정으로 생산된 샘플보다 더 높은 밀도와 상대 밀도를 나타냅니다.
상 및 미세구조 1단계 소결 중에는 입자 재배열 및 결정립계 확산에 사용할 수 있는 시간이 제한됩니다. 2단계 소결 공정에서는 첫 번째 단계가 낮은 온도와 낮은 가스 압력에서 수행되므로 입자 재배열 시간이 길어지고 더 큰 입자가 생성됩니다. 그런 다음 온도는 고온 단계로 증가하여 오스트발트 숙성 과정을 통해 입자가 계속 성장하여 고밀도 Si₃N₄ 세라믹이 생성됩니다.
기계적 특성 고온에서 입계상의 연화는 강도 감소의 주요 원인입니다. 1단계 소결에서는 비정상적인 결정립 성장으로 인해 결정립 사이에 작은 기공이 생성되어 고온 강도가 크게 향상되지 않습니다. 그러나 2단계 소결 공정에서는 결정립계에 균일하게 분포된 유리상과 균일한 크기의 결정립이 입계강도를 높여 고온 굽힘강도가 높아진다.
결론적으로, 1단계 소결 시 장기간 유지하는 것은 내부 기공률을 효과적으로 감소시키고 내부 색상 및 조직을 균일하게 만들 수 있지만 비정상적인 결정립 성장을 초래하여 특정 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다. 입자 재배열 시간을 연장하기 위해 저온 사전 소결을 사용하고 균일한 입자 성장을 촉진하기 위해 고온 유지를 사용하는 2단계 소결 공정을 사용하여 상대 밀도 98.25%, 균일한 미세 구조 및 우수한 종합 기계적 특성을 지닌 Si₃N₄ 세라믹을 만듭니다. 성공적으로 준비할 수 있습니다.
| 이름 | 기판 | 에피택셜층 구성 | 에피텍셜 공정 | 에피택셜 매체 |
| 실리콘 호모에피텍셜 | Si | Si | 기상 에피택시(VPE) | SiCl4+H2 |
| 실리콘 헤테로에피택셜 | 사파이어 또는 스피넬 | Si | 기상 에피택시(VPE) | SiH₄+H₂ |
| GaAs 동종에피텍셜 | GaAs | GaAs GaAs | 기상 에피택시(VPE) | AsCl₃+Ga+H₂(Ar) |
| GaAs | GaAs GaAs | 분자빔 에피택시(MBE) | Ga+As | |
| GaAs 헤테로에피택셜 | GaAs GaAs | GaAlAs/GaAs/GaAlAs | 액상 에피택시(LPE) 증기상(VPE) | Ga+Al+CaAs+ H2 Ga+AsH3+PH3+CH1+H2 |
| GaP 동종에피텍셜 | 갭 | 간격(GaP;N) | 액상 에피택시(LPE) 액상 에피택시(LPE) | Ga+GaP+H2+(NH3) Ga+GaAs+GaP+NH3 |
| 초격자 | GaAs | GaAlAs/GaAs (주기) | 분자빔 에피택시(MBE) MOCVD | Ca,As,Al GaR₃+AlR3+AsH3+H2 |
| InP 동종에피택셜 | InP | InP | 기상 에피택시(VPE) 액상 에피택시(LPE) | PCl3+In+H2 In+InAs+GaAs+InP+H2 |
| Si/GaAs 에피택시 | Si | GaAs | 분자빔 에피택시(MBE) MOGVD | 가、아 GaR₃+AsH₃+H₂ |
게시 시간: 2024년 12월 24일