Na fabricação de semicondutores e na óptica de precisão, a escolha do material do substrato é fundamental para alcançar um alto desempenho do dispositivo e confiabilidade do processo.Entre os materiais mais utilizados estão o safiro (Al2O3)Os produtos químicos são constituídos por uma série de componentes que, embora apresentem vantagens únicas, apresentam diferenças significativas em termos térmicos, mecânicos e químicos.afetando a sua adequação a diferentes aplicaçõesEste artigo fornece uma comparação baseada em evidências para orientar a selecção de materiais para processos de semicondutores.
1Propriedades mecânicas
| Imóveis |
Safiros (Al2O3) |
Quartzo (SiO2) |
SiC (Carburo de Silício) |
| Dureza de Mohs |
9 |
7 |
9 ¢9.5 |
| Modulo de Young (GPa) |
345 |
73 |
410 ¢470 |
| Resistência à fractura (MPa·m1·2) |
2 ¢ 3 |
0.7 |
3 ¢ 4 |
| Resistência a choques térmicos |
Médio |
Baixo |
Alto |
Análise:
Sapphire e SiC são materiais extremamente duros, tornando-os resistentes ao desgaste e arranhões, o que é crítico para o manuseio durante o processamento de wafer.Limitar a sua utilização em ambientes de alto stress.
2. Propriedades térmicas
| Imóveis |
Safiras |
Quartzo |
SiC |
| Conductividade térmica (W/m·K) |
35 ¢ 40 |
1.4 |
300 ¢ 490 |
| Coeficiente de expansão térmica (10−6/K) |
5 ¢ 8 |
0.5 |
4 ¢ 5 |
| Temperatura máxima de funcionamento |
~ 2000°C |
~ 1200°C |
~ 1600°C (SiC a granel), superior para sinterizado) |
Análise:
O SiC supera o safiro e o quartzo na condutividade térmica, permitindo uma dissipação de calor eficiente em aplicações eletrônicas de alta potência.que o tornam adequado para aplicações de isolamento ou de baixa temperatura, mas inadequado para dispositivos de alta potênciaO safiro equilibra a estabilidade térmica e a condutividade térmica moderada, comumente utilizados em dispositivos LED e RF.
3Estabilidade química e ambiental
| Materiais |
Resistência química |
Sensibilidade à umidade |
Aplicações comuns |
| Safiras |
Excelente (resistente a ácidos, bases) |
Baixo |
Substratos de LED,janelas ópticas, dispositivos de alta precisão |
| Quartzo |
Excelente (resistente à maioria dos produtos químicos) |
Moderado (hidrofílico) |
Microfabricação, máscaras de fotolitografia, fibras ópticas |
| SiC |
Excelente (alta inércia química) |
Muito baixo |
Eletrónica de alta potência, ambientes químicos agressivos, vedações mecânicas |
Análise:
Os três materiais apresentam excelente estabilidade química, mas o SiC é especialmente adequado para ambientes corrosivos ou abrasivos.Considerando que o zafiro e o SiC permanecem estáveis.
4Considerações ópticas e eléctricas
| Imóveis |
Safiras |
Quartzo |
SiC |
| Transparência óptica |
150 nm ¢ 5 μm |
160 nm 3 μm |
Transparente em infravermelho (36 μm), opaca em visível |
| Resistência dielétrica (kV/mm) |
400 ¢ 500 |
30 ¢ 50 |
250 ¢ 500 |
| Distância de banda (eV) |
9.9 |
8.9 |
2.3 ¢3.3 |
Análise:
O safiro e o quartzo são amplamente utilizados para janelas ópticas devido à sua transparência nos intervalos visíveis pelos raios UV.A ampla distância de banda e a alta resistência dielétrica do SiC® o tornam ideal para dispositivos semicondutores de alta tensão e alta temperatura, tais como eletrónica de potência e amplificadores de RF.
5Custo e Fabricação
| Materiais |
Cost. |
Escalabilidade |
Máquinabilidade |
| Safiras |
Alto |
Moderado |
Difícil (requer ferramentas de diamante) |
| Quartzo |
Baixo |
Alto |
Fácil (pode ser gravado em húmido ou cortado a laser) |
| SiC |
Alto |
Moderado |
Muito difícil (extremamente difícil, frágil) |
Análise:
O quartzo é o mais econômico e mais fácil de processar, tornando-o popular para componentes ópticos em escala de laboratório ou de baixo custo.Mas eles fornecem um desempenho mecânico e térmico superior, essencial para aplicações de semicondutores exigentes.
Conclusão
A escolha entre safiro, quartzo e SiC requer uma cuidadosa consideração de fatores mecânicos, térmicos, químicos, ópticos e de custo:
-
Safirasoferece um equilíbrio de dureza, estabilidade térmica e transparência óptica, tornando-o ideal para LEDs, janelas ópticas e alguns microeletrônicos.
-
QuartzoExcelente em termos de custo-eficácia, facilidade de processamento e resistência química, adequado para dispositivos de laboratório, máscaras de fotolitografia e aplicações de baixo consumo.
-
SiCfornece condutividade térmica, dureza e estabilidade química excepcionais, indispensáveis para eletrônicos de alta potência, ambientes adversos e aplicações que exigem durabilidade extrema.
Para engenheiros de semicondutores e cientistas de materiais, essa comparação baseada em evidências suporta a seleção racional de materiais, garantindo o desempenho ideal do dispositivo e a confiabilidade do processo.
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