シリコンカービッド (SiC) セラミックス熱力,機械,化学的特性が優れているため,広く知られています.耐腐食性も優れているSiCセラミックは半導体製造,航空宇宙,エネルギー,機械密封,高温加工,その他の要求の高い産業における重要なエンジニアリング材料となっています.
しかし,シリコンカービッド陶器の加工は常に1つの課題によって制限されてきた.
SiCは従来のシンタリングによって完全に密度化することが非常に難しい.
これは,主にシリコンカービードの強い共性結合と,その比較的低い原子拡散率によって引き起こされる.
この限界を克服するために,以下を含むいくつかのSiCシンタリング技術が開発されています.
各プロセスは,孔隙を減らす,粒子の結合を改善し,SiCセラミック部品の最終的な微細構造を制御するための異なるメカニズムを使用します.
シリコンカービードの優れた性質は,その強いSi-C共性結合と密接に関連している.
この結合により,SiC は高硬さ,優れた熱耐性,優れた化学的安定性を有します.シンタリング過程で原子の動きを大幅に減少させる.
従来のセラミック・シンタリングでは,密度化は以下のメカニズムに依存する.
SiCの場合,これらの拡散プロセスは非常に高い温度でも比較的遅い.
過剰な温度は異常な穀物成長,分解,サブライマーションを引き起こし,製造コストの上昇.
その結果,工業用SiC陶器の生産には,通常,以下のような1つ以上の追加密度化メカニズムが必要になります.
これらのメカニズムは,現在使われている主要SiCシンタリング技術の基盤となっています.
反応結合シリコンカービードは,一般的にRB-SiCまたはRBSiCとして知られています.
このプロセスは通常以下のような混合物から始まります.
混合物は緑色で多孔質の体になります.
高温処理中に 溶けたシリコンは緑色の体の毛穴に浸透し 炭素と反応します
Si + C → SiC
この反応により二次性シリコンカービードが形成され,元のSiC粒子が結合する.
残りの自由シリコンが残った毛穴の一部を埋め,陶器体は比較的高密度に達する.
反応結合SiC製造における最も重要な要因の"つは,緑体の孔隙を制御することです.
緑色の体が密度が高くても 溶けたシリコンが内部構造に完全に浸透しない可能性があります
この場合,セラミックの外側領域は成功的に反応し,反応していない炭素と残留毛穴は部品内に残ります.
したがって,製造者は注意深く:
反応結合の最大の利点の一つは 非常に小さい次元縮小です
シンタリング中に収縮が限られているため,RB-SiCは特に製造に適しています.
このほぼ網状の能力は,シンタリング後の加工要件を大幅に削減することができます.
従来の反応結合SiCには,通常一定量の残留フリーシリコンが含まれます.
自由シリコンの存在は,以下に影響を与える可能性があります.
半導体機器の用途では,自由シリコン含有量と総不純度レベルの両方が注意深く制御する必要があります.
高性能シリコンカービッドセラミクスのもう1つの重要な製造方法は圧力なしのシンタリングである.
熱圧とは異なり,このプロセスは,シンタリング中に継続的な外部の機械的圧力を必要としません.
圧力なしのSiCシンタリングは,一般的に2つのカテゴリーに分けられる.
固体シンタリング
そして
液体相シンタリング
SiCの固体シンテリングには,通常少量のシンテリング添加物が必要である.
一般的な添加物システムには,以下が含まれます.
クラシックBCシステムは,シリコンカービッドの密度化を促進するために広く使用されています.
固体シンタリングは通常,約1900°C~2100°Cで行われますが,正確な条件は粉末の特性,添加物,大気,標的特性に依存します.
優れた高温安定性がある.
材料には通常,低溶性粒の境界相がほとんど含まれないため,固体状態のシンター化SiCは高温で優れた機械的および熱的特性を保持することができます.
これは,以下に広く適しています.
固体シンタリングにはいくつかの制限があります.
まず 必要なシンテリング温度は高く
2000°C近くまたはそれ以上で動作すると,エネルギー消費量が増加し,以下に厳格な要求が課されます.
2つ目に,過剰な温度や 保存時間が 異常な穀物成長を引き起こす可能性があります.
これは強度,信頼性,微細構造の均一性に悪影響を及ぼす可能性があります.
原材料の質も極めて重要です
重要な粉末パラメータは以下のとおりです.
高性能のSiCセラミックの場合,粉末の質は最終的な達成可能な性質に強く影響します.
液相シンタリングでは,高温で少量の液体を形成する添加物を使用します.
この液体相は粒子の再配置を改善し,SiC粒子の間の物質輸送を大幅に増加させる.
結果として,従来の固体シンタリングと比較して低温で密度化が起こる.
広く使用されているシステムの一つは:
Al2O3-Y2O3
温めると,これらの酸化物はSiC粒子の表面酸化物層と相互作用し,液体相を形成する.
液体相は粒子を濡らし,再配置を改善し,急速な拡散経路を作り出します
密度化メカニズムは通常溶解と再発によって制御される.
主要な利点には,以下が含まれます.
硬さと硬さの両方が重要なアプリケーションでは,液相シンタリングは魅力的なバランスを提供することができます.
より多くの液体相は必ずしも より良い性能を意味するものではありません
過剰な穀物境界期は,以下を減少させる可能性があります.
半導体級のSiCセラミックコンポーネントでは,シンタリング添加物の種類と量の両方が重要な材料仕様になる可能性があります.
ホットプレッシングは高温と外部の機械圧力を組み合わせます
処理中にSiC粉末は高強度グラフィット型に詰め込まれます
材料は単軸圧力をかけながら加熱する.
外部の圧力は粒子接触を増加させ,
熱と圧力が一緒に働くため,熱圧圧圧は多くの圧力のないプロセスと比較して,より短いシンタリング時間で非常に高密度を達成することができます.
一般的な添加物は以下のとおりである.
配合によって,添加物は液体相形成を促進したり,粒の境界や固体溶液の振る舞いを変化させる.
熱圧により,以下のようなSiCセラミクスを生産することができる.
精密部品では特に価値があります
半導体製造機器では,セラミックコンポーネントは,以下を厳格に制御する必要がある場合があります.
このようなアプリケーションでは,材料性能は最低製造コストよりもはるかに重要になります.
このプロセスには明らかな欠点もあります
圧力は通常,1つの方向で施されるため,熱圧された部品の幾何学は,模具と圧迫方向によって制限されます.
製造は難しい
その他の欠点には:
したがって,熱圧は,特殊な材料性能を必要とする高価な部品に使用されます.
R-SiCとして知られる再結晶化シリコンカービードは,異なるシンタリングメカニズムを使用します.
粗いSiC粉末と細いSiC粉末は,最初に制御された粒子の大きさ分布で混合されます.
混合物は以下のようなプロセスを用いて形成される.
その後,緑色の体は不活性な大気下で約2200°Cから2450°Cまで加熱されます.
この非常に高い温度で 微細なSiC粒子は部分的に蒸発したり 昇華したりします
蒸気相の種は,より大きなSiC粒子の接触点の周りに凝縮します.
この蒸発凝縮メカニズムは 強い粒子結合を作り出し 3 次元の SiC 構造を形成します
R-SiC の重要な利点は,従来のシンタリング補助剤はしばしば不要であることです.
これは,金属不純物,酸化添加物,または穀物境界相を最小限に抑える必要があるアプリケーションでは特に価値があります.
再結晶されたSiCは加工中に非常にわずかな収縮を経験します
製造に適しています.
高密度のシンターされたSiCとは異なり,再結晶されたSiCは通常制御された相互接続孔構造を含んでいる.
この孔隙は欠陥ではない.
その代わりに,以下のようなことを可能にします.
この理由から,R-SiCと完全密度のSiCセラミックはしばしば異なる技術要件を満たします.
| シンテリング 方法 | 主な密度化メカニズム | 主要 な 利点 | 主要 な 制限 |
|---|---|---|---|
| 反応結合SiC | シリコン浸透と反応 | 収縮が低く 複雑な形状 大きい部品 | 余剰のないシリコン |
| 固体型シンター化シシ | 固体状態の拡散 | 高温安定性,純度が高い | 非常に高いシンテリング温度 |
| 液体相シンター化SiC | 液体による拡散 | 低温,高密度,強度向上 | 穀物境界二次段階 |
| 熱圧されたSiC | 熱と外部の圧力 | 高密度,細粒,優れた強度 | 形とサイズ制限 |
| 再結晶化したSiC | 蒸発コンデンサ | 高純度,低収縮,大きな構造 | 通常は小孔度が制御されています |
すべての用途に理想的な SiC sintering プロセスはありません
正確なプロセスは最終部品の要求に応じて選択する必要があります.
大型で幾何学的に複雑なSiCコンポーネントでは,反応結合SiCは低収縮とほぼ網状の能力のためにしばしば魅力的です.
高温耐久性と化学安定性が優れたアプリケーションでは,固体シンター化SiCがより適している可能性があります.
高密度で低濃縮温度で強度が向上する場合は,液相濃縮が利点をもたらす可能性があります.
非常に高密度,細粒子の構造,優れた機械性能を必要とする部品では,熱圧が有効な解決策である.
高純度,大型,収縮が低い,または孔隙が制御されたコンポーネントでは,再結晶SiCは重要な材料の選択肢である.
伝統的に,シリコンカービッドセラミックは主に密度,硬さ,機械的強度によって評価された.
しかし,半導体製造では,密度だけでは十分ではありません.
先進的な半導体機器の内部で使用されるSiCセラミックコンポーネントは,以下を厳格に制御する必要がある場合があります.
金属の不浄物や移動イオンは,ウエファー加工中に汚染源となり得る.
反応結合のSiCでは,残留シリコンは高温行動,化学耐性,プラズマ互換性に影響を与えます.
オープンな毛穴は 洗浄効率や 化学物質の浸透,汚染の保持,粒子生成に影響を与えます
粒の構造は機械的特性,加工行動,表面仕上げ,材料の一貫性に影響します.
高熱伝導性は高温加工や高功率半導体機器において特に重要です.
安定した熱膨張行動は,加熱と冷却サイクル中に次元変化と熱ストレスを減らすのに役立ちます.
エッチングおよび堆積装置では,フッ素および塩素ベースのプラズマ環境に対する耐性は,部品の寿命に直接影響する.
陶器材料は優れた散装特性を持つかもしれないが,その表面が動作中に粒子を放出した場合,半導体要件にはまだ不十分である.
これは,先進的なSiCセラミクスの開発が 単に最大密度を追求することから より包括的な目標へと 徐々に移行していることを意味します.
高純度 + 高密度 + 制御されたマイクロ構造 + 低粒子生成 + 高次元安定性
シリコンカービッドを密集させる難しさは,SiCに例外的な性質を与える同じ強い共性結合から生じる.
異なるシンタリング技術によって この問題は 異なるメカニズムによって解決されます
反応結合はシリコン浸透と化学反応を使用します
固体シンタリングは,選択した添加物によって支援される高温拡散に依存する.
液相シンタリングにより 材料の輸送経路が速くなります
ホットプレッシングでは,温度と機械圧力を組み合わせて密度化を加速します.
再結晶は,従来のシンタリング補助物質なしで強いSiC粒子結合を作成するために蒸発凝縮メカニズムを使用する.
これらの異なる経路は 純度,密度,孔隙度,粒の構造,熱性能,製造柔軟性の異なる組み合わせにつながります
半導体ウエファの大きさが増加し 半導体プロセスはより高い温度,より少ない汚染,よりよい次元安定を求めています半導体製造機器において,シリコンカービッドセラミックはますます重要になってきています..
したがって,先進的なSiCセラミックの将来の競争は,単に最も高い密度を達成することだけではありません.
純度,密度,微細構造,熱性能,表面品質,および各特定のアプリケーションのためのプロセス互換性との間の最良のバランスを達成することになります.
シリコンカービッド (SiC) セラミックス熱力,機械,化学的特性が優れているため,広く知られています.耐腐食性も優れているSiCセラミックは半導体製造,航空宇宙,エネルギー,機械密封,高温加工,その他の要求の高い産業における重要なエンジニアリング材料となっています.
しかし,シリコンカービッド陶器の加工は常に1つの課題によって制限されてきた.
SiCは従来のシンタリングによって完全に密度化することが非常に難しい.
これは,主にシリコンカービードの強い共性結合と,その比較的低い原子拡散率によって引き起こされる.
この限界を克服するために,以下を含むいくつかのSiCシンタリング技術が開発されています.
各プロセスは,孔隙を減らす,粒子の結合を改善し,SiCセラミック部品の最終的な微細構造を制御するための異なるメカニズムを使用します.
シリコンカービードの優れた性質は,その強いSi-C共性結合と密接に関連している.
この結合により,SiC は高硬さ,優れた熱耐性,優れた化学的安定性を有します.シンタリング過程で原子の動きを大幅に減少させる.
従来のセラミック・シンタリングでは,密度化は以下のメカニズムに依存する.
SiCの場合,これらの拡散プロセスは非常に高い温度でも比較的遅い.
過剰な温度は異常な穀物成長,分解,サブライマーションを引き起こし,製造コストの上昇.
その結果,工業用SiC陶器の生産には,通常,以下のような1つ以上の追加密度化メカニズムが必要になります.
これらのメカニズムは,現在使われている主要SiCシンタリング技術の基盤となっています.
反応結合シリコンカービードは,一般的にRB-SiCまたはRBSiCとして知られています.
このプロセスは通常以下のような混合物から始まります.
混合物は緑色で多孔質の体になります.
高温処理中に 溶けたシリコンは緑色の体の毛穴に浸透し 炭素と反応します
Si + C → SiC
この反応により二次性シリコンカービードが形成され,元のSiC粒子が結合する.
残りの自由シリコンが残った毛穴の一部を埋め,陶器体は比較的高密度に達する.
反応結合SiC製造における最も重要な要因の"つは,緑体の孔隙を制御することです.
緑色の体が密度が高くても 溶けたシリコンが内部構造に完全に浸透しない可能性があります
この場合,セラミックの外側領域は成功的に反応し,反応していない炭素と残留毛穴は部品内に残ります.
したがって,製造者は注意深く:
反応結合の最大の利点の一つは 非常に小さい次元縮小です
シンタリング中に収縮が限られているため,RB-SiCは特に製造に適しています.
このほぼ網状の能力は,シンタリング後の加工要件を大幅に削減することができます.
従来の反応結合SiCには,通常一定量の残留フリーシリコンが含まれます.
自由シリコンの存在は,以下に影響を与える可能性があります.
半導体機器の用途では,自由シリコン含有量と総不純度レベルの両方が注意深く制御する必要があります.
高性能シリコンカービッドセラミクスのもう1つの重要な製造方法は圧力なしのシンタリングである.
熱圧とは異なり,このプロセスは,シンタリング中に継続的な外部の機械的圧力を必要としません.
圧力なしのSiCシンタリングは,一般的に2つのカテゴリーに分けられる.
固体シンタリング
そして
液体相シンタリング
SiCの固体シンテリングには,通常少量のシンテリング添加物が必要である.
一般的な添加物システムには,以下が含まれます.
クラシックBCシステムは,シリコンカービッドの密度化を促進するために広く使用されています.
固体シンタリングは通常,約1900°C~2100°Cで行われますが,正確な条件は粉末の特性,添加物,大気,標的特性に依存します.
優れた高温安定性がある.
材料には通常,低溶性粒の境界相がほとんど含まれないため,固体状態のシンター化SiCは高温で優れた機械的および熱的特性を保持することができます.
これは,以下に広く適しています.
固体シンタリングにはいくつかの制限があります.
まず 必要なシンテリング温度は高く
2000°C近くまたはそれ以上で動作すると,エネルギー消費量が増加し,以下に厳格な要求が課されます.
2つ目に,過剰な温度や 保存時間が 異常な穀物成長を引き起こす可能性があります.
これは強度,信頼性,微細構造の均一性に悪影響を及ぼす可能性があります.
原材料の質も極めて重要です
重要な粉末パラメータは以下のとおりです.
高性能のSiCセラミックの場合,粉末の質は最終的な達成可能な性質に強く影響します.
液相シンタリングでは,高温で少量の液体を形成する添加物を使用します.
この液体相は粒子の再配置を改善し,SiC粒子の間の物質輸送を大幅に増加させる.
結果として,従来の固体シンタリングと比較して低温で密度化が起こる.
広く使用されているシステムの一つは:
Al2O3-Y2O3
温めると,これらの酸化物はSiC粒子の表面酸化物層と相互作用し,液体相を形成する.
液体相は粒子を濡らし,再配置を改善し,急速な拡散経路を作り出します
密度化メカニズムは通常溶解と再発によって制御される.
主要な利点には,以下が含まれます.
硬さと硬さの両方が重要なアプリケーションでは,液相シンタリングは魅力的なバランスを提供することができます.
より多くの液体相は必ずしも より良い性能を意味するものではありません
過剰な穀物境界期は,以下を減少させる可能性があります.
半導体級のSiCセラミックコンポーネントでは,シンタリング添加物の種類と量の両方が重要な材料仕様になる可能性があります.
ホットプレッシングは高温と外部の機械圧力を組み合わせます
処理中にSiC粉末は高強度グラフィット型に詰め込まれます
材料は単軸圧力をかけながら加熱する.
外部の圧力は粒子接触を増加させ,
熱と圧力が一緒に働くため,熱圧圧圧は多くの圧力のないプロセスと比較して,より短いシンタリング時間で非常に高密度を達成することができます.
一般的な添加物は以下のとおりである.
配合によって,添加物は液体相形成を促進したり,粒の境界や固体溶液の振る舞いを変化させる.
熱圧により,以下のようなSiCセラミクスを生産することができる.
精密部品では特に価値があります
半導体製造機器では,セラミックコンポーネントは,以下を厳格に制御する必要がある場合があります.
このようなアプリケーションでは,材料性能は最低製造コストよりもはるかに重要になります.
このプロセスには明らかな欠点もあります
圧力は通常,1つの方向で施されるため,熱圧された部品の幾何学は,模具と圧迫方向によって制限されます.
製造は難しい
その他の欠点には:
したがって,熱圧は,特殊な材料性能を必要とする高価な部品に使用されます.
R-SiCとして知られる再結晶化シリコンカービードは,異なるシンタリングメカニズムを使用します.
粗いSiC粉末と細いSiC粉末は,最初に制御された粒子の大きさ分布で混合されます.
混合物は以下のようなプロセスを用いて形成される.
その後,緑色の体は不活性な大気下で約2200°Cから2450°Cまで加熱されます.
この非常に高い温度で 微細なSiC粒子は部分的に蒸発したり 昇華したりします
蒸気相の種は,より大きなSiC粒子の接触点の周りに凝縮します.
この蒸発凝縮メカニズムは 強い粒子結合を作り出し 3 次元の SiC 構造を形成します
R-SiC の重要な利点は,従来のシンタリング補助剤はしばしば不要であることです.
これは,金属不純物,酸化添加物,または穀物境界相を最小限に抑える必要があるアプリケーションでは特に価値があります.
再結晶されたSiCは加工中に非常にわずかな収縮を経験します
製造に適しています.
高密度のシンターされたSiCとは異なり,再結晶されたSiCは通常制御された相互接続孔構造を含んでいる.
この孔隙は欠陥ではない.
その代わりに,以下のようなことを可能にします.
この理由から,R-SiCと完全密度のSiCセラミックはしばしば異なる技術要件を満たします.
| シンテリング 方法 | 主な密度化メカニズム | 主要 な 利点 | 主要 な 制限 |
|---|---|---|---|
| 反応結合SiC | シリコン浸透と反応 | 収縮が低く 複雑な形状 大きい部品 | 余剰のないシリコン |
| 固体型シンター化シシ | 固体状態の拡散 | 高温安定性,純度が高い | 非常に高いシンテリング温度 |
| 液体相シンター化SiC | 液体による拡散 | 低温,高密度,強度向上 | 穀物境界二次段階 |
| 熱圧されたSiC | 熱と外部の圧力 | 高密度,細粒,優れた強度 | 形とサイズ制限 |
| 再結晶化したSiC | 蒸発コンデンサ | 高純度,低収縮,大きな構造 | 通常は小孔度が制御されています |
すべての用途に理想的な SiC sintering プロセスはありません
正確なプロセスは最終部品の要求に応じて選択する必要があります.
大型で幾何学的に複雑なSiCコンポーネントでは,反応結合SiCは低収縮とほぼ網状の能力のためにしばしば魅力的です.
高温耐久性と化学安定性が優れたアプリケーションでは,固体シンター化SiCがより適している可能性があります.
高密度で低濃縮温度で強度が向上する場合は,液相濃縮が利点をもたらす可能性があります.
非常に高密度,細粒子の構造,優れた機械性能を必要とする部品では,熱圧が有効な解決策である.
高純度,大型,収縮が低い,または孔隙が制御されたコンポーネントでは,再結晶SiCは重要な材料の選択肢である.
伝統的に,シリコンカービッドセラミックは主に密度,硬さ,機械的強度によって評価された.
しかし,半導体製造では,密度だけでは十分ではありません.
先進的な半導体機器の内部で使用されるSiCセラミックコンポーネントは,以下を厳格に制御する必要がある場合があります.
金属の不浄物や移動イオンは,ウエファー加工中に汚染源となり得る.
反応結合のSiCでは,残留シリコンは高温行動,化学耐性,プラズマ互換性に影響を与えます.
オープンな毛穴は 洗浄効率や 化学物質の浸透,汚染の保持,粒子生成に影響を与えます
粒の構造は機械的特性,加工行動,表面仕上げ,材料の一貫性に影響します.
高熱伝導性は高温加工や高功率半導体機器において特に重要です.
安定した熱膨張行動は,加熱と冷却サイクル中に次元変化と熱ストレスを減らすのに役立ちます.
エッチングおよび堆積装置では,フッ素および塩素ベースのプラズマ環境に対する耐性は,部品の寿命に直接影響する.
陶器材料は優れた散装特性を持つかもしれないが,その表面が動作中に粒子を放出した場合,半導体要件にはまだ不十分である.
これは,先進的なSiCセラミクスの開発が 単に最大密度を追求することから より包括的な目標へと 徐々に移行していることを意味します.
高純度 + 高密度 + 制御されたマイクロ構造 + 低粒子生成 + 高次元安定性
シリコンカービッドを密集させる難しさは,SiCに例外的な性質を与える同じ強い共性結合から生じる.
異なるシンタリング技術によって この問題は 異なるメカニズムによって解決されます
反応結合はシリコン浸透と化学反応を使用します
固体シンタリングは,選択した添加物によって支援される高温拡散に依存する.
液相シンタリングにより 材料の輸送経路が速くなります
ホットプレッシングでは,温度と機械圧力を組み合わせて密度化を加速します.
再結晶は,従来のシンタリング補助物質なしで強いSiC粒子結合を作成するために蒸発凝縮メカニズムを使用する.
これらの異なる経路は 純度,密度,孔隙度,粒の構造,熱性能,製造柔軟性の異なる組み合わせにつながります
半導体ウエファの大きさが増加し 半導体プロセスはより高い温度,より少ない汚染,よりよい次元安定を求めています半導体製造機器において,シリコンカービッドセラミックはますます重要になってきています..
したがって,先進的なSiCセラミックの将来の競争は,単に最も高い密度を達成することだけではありません.
純度,密度,微細構造,熱性能,表面品質,および各特定のアプリケーションのためのプロセス互換性との間の最良のバランスを達成することになります.
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