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半导体制造用碳化硅粉末加工研究

作者:admin日期:2020-06-29阅读
碳化硅是强共价键化合物,硬度仅次于金刚石,在半导体相关产业,使用各种特性的SiC产品,除SiC基板外,其他产品对陶瓷用原料的SiC粒子或粉末要求有各自不同的特性。作为半导体制造用高性能结构陶瓷的原料粉末,首先要求碳化硅微粉粒度细化指标达到中位径小于0.70mm,比表面积大于8m2/g。由于市场竞争,要求价格经济、生产效率高。球磨机是一种经济粉体加工机械,利用球磨机加工半导体制造用陶瓷的原料粉料是一种可行的方法。本文为球磨机加工碳化硅粉末研究。

1试验方法
试验原料采用:
(1)生产的绿碳化硅,碳化硅含量98.97%;
(2)黑碳化硅含量99.0%。
采用自行设计的球磨罐,有效体积40L,偏心盘式搅拌器,永磁直流电机无级变速,夹层水套循环冷却降温,研磨介质为碳化硅球粒,湿法研磨,对多种细粉分散剂进行了试验筛选后,采用0.2%(质量分数)浓度的偏磷酸盐水分散剂,试验过程中未发现因颗粒团聚引起的粒度指标的逆向增大,即所谓的“逆磨”现象,说明分散效果良好,料浆固含量为50%(质量比),为了避免取样引起磨机中工况的改变,采取试验周期循环制粉的方法。
1.1黑、绿碳化硅原料中位径与表面积的对应关系黑、绿碳化硅粗粉料用自行设计的球磨罐进行粉碎加工,粉碎过程中粉体颗粒的中位径D50与比表面积Sw对应不同研磨时间的试验结果见表1。碳化硅比表面积检测采用BET法,其原理为:在非常低的温度(77K)、真空条件下,注入已知量的惰性气体,表面积是通过清点单分子层中的分子的个数而计算出,孔大小是通过进入孔中的气体凝聚压而测定出。
半导体制造用碳化硅粉末加工研究
从表1中可以看出两种原料的试验结果十分接近,但可以观察到两种黑绿碳化硅随研磨时间增加,其粉体粒径变小和比表面积逐渐增大,黑碳化硅有利于加工,根据绿碳化硅粉和黑碳化硅粉试验数据拟合的直线几乎重合,两种粉料的中位径比表面积的对应关系回归方程为绿、黑碳化硅粉
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相关系数
半导体制造用碳化硅粉末加工研究
在上文所述的试验条件下,黑碳化硅粉与绿碳化硅粉的粒度中位径与比表面积的理论模拟公式中的系数b相等,b=-1.23;系数a随碳化硅粉体的种类不同而不同。
1.2中位径随研磨时间变化的函数关系
两组不同转速情况下粉体中位径D50随研磨时间t的变化如图1所示。在本试验范围内,其它条件相同,转速慢时,D50下降的幅度小,转速快时,D50下降幅度大,从中可以很清楚地看出D50是研磨时间t的指数函数,其回归拟合公式为
半导体制造用碳化硅粉末加工研究
第一组:转速900r/min,a=31.98,b=-0.3422,拟合相关系数:R2=0.958。
第二组:转速1500r/min,a=53.95,b=-0.7108,拟合相关系数:R2=0.991。
中位径是衡量粉体颗粒粒度粗细程度的数值,由试验数据可知,为了得到某一粒径的微粉产品,选择较低转速,所需的研磨时间长,相应需要消耗的能量多;选择较高转速,所需时间短,消耗能量少,这一点对扩大生产中的工艺参数优化有重要的指导意义,
选择适当的转速可以明显提高效率,节能降耗。
1.3不同研磨时间粉体的粒度分布变化
不同时刻碳化硅粉体的粒度分布与研磨时间有关,还与粉体颗粒群所在的粒径区间有关,现以黑碳化硅的数据为代表,分析碳化硅粉在研磨过程中不同时刻的粒度及粒度分布变化规律(与绿碳化硅的粒度分布试验结果类似)。图2为黑碳化硅粉颗粒粒度随研磨时间变化曲线,图中所示各点数据是不同研磨时刻取样所得的粉体粒度分布的实测数据,x坐标是颗粒粒径D;y坐标是所有小于对应粒径下的粉的质量占磨机中粉体总质量的百分比W;四条曲线对应研磨时间为0h、1h、2h、4h(t=0,t=1,t=2,t=4);各不同时刻粉体的粒度分布回归方程分别为

从图2可以看出试验数据与理论曲线拟合程度很好,相关系数|R|>0.99,粒度分布方程式的普通形式为
W=aD3+bD2+cD+d(3)
在上述试验中,随着研磨过程的进行,碳化硅粉体颗粒群在整体细化的同时,其粒径的分布遵从式(3)所表达的函数关系。
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比较原料粉t=0和研磨1h后(t=1)的粉体粒度分布数据,可以看出原来粒度分布较窄的磨料碳化硅粉体经过1h的超细研磨,在整体细化的同时,形成了散布于0~9μm整个区域内新的细粉的分布,此时粉体粒径的细化速度快,但粒度分布区域大于起始粉体的粒度分布,随着研磨时间的增加,粉体粒径的细化速度变缓,粒度分布区域越来越窄,在超细粉碎实际应用中,磨料和陶瓷用户往往希望微粉粒度的分布区间较窄,在超细粉碎过程中,粉体粒度的细化速率随时间的增加越来越慢。
(1)用搅拌球磨加工碳化硅粉体时,研磨细化过程粉体中位径与比表面积对应关系的函数模拟表达式为Sw=a×D5b0;绿黑碳化硅两种粉料的系数b相等,b=-1.23;系数a分别为6.8025与7.55。
(2)粉体中位径D50对应不同研磨时间的细化规律为D50=atb,对应不同速率,系数a、b有不同的值。转速900r/min时,a=31.98,b=-0.3422;转速1500r/min时,a=53.95,b=-0.7108。根据上面等式可以预测达到产品粒度要求所需要的研磨时间。
(3)在研磨过程中,粉体颗粒群整体细化,粒径变小,其粒径分布规律符合函数表达式w=aD3+bD2+cD+d,随着研磨的进程,粒度分布区间刚开始时表现为散布增大,很快就趋于粒度分布变窄,有利于产品性能的提高,体现了搅拌球磨超细粉碎的优势。