碳化矽(SiC)是一種非常重要的工程陶（táo）瓷，它具有許多優異的性能，如低密度(3.1g/cm3)、高硬度(2800kg/mm2)、高熱導（dǎo）率（lǜ）(120W/mK)、低熱膨脹係數(4.0x10-6℃-1)、寬禁帶(2.4~3.4eV)、抗氧化（huà）、耐腐蝕、抗輻照等，廣泛應用於石油工業、半導（dǎo）體、航空航天、化工、交通（tōng）運輸、核能等領域。尤（yóu）其在現在備受關注的半導體領域，碳化矽陶瓷（cí）主要應用於晶圓加工、散（sàn）熱、封裝等方麵，可應用與（yǔ）製作XY平台、基座、聚焦環、拋光板、晶圓夾盤、真空吸盤、搬運臂、爐管、晶舟、懸臂槳、研磨（mó）盤等。但是由於SiC陶瓷具有的脆性、高硬度和（hé）高電阻率等特（tè）點，加工製造大尺寸或形狀複雜的SiC陶瓷部件非常困難，這也是其在工程應用中亟待解決的關鍵問（wèn）題之一。編輯：能看正能量的短视频app 精密加工製造http://www.dxqiumoji.com/
為了（le）提高SiC陶瓷的可加工性，通過摻雜（zá）降低電阻率是一種有效途徑。當調（diào）控SiC陶瓷的電阻率下降到100Ω·cm以下時，可以滿足（zú）電火（huǒ）花加工的要求（qiú）並進行快速精確的複雜型麵加工，有利於大尺寸或形狀複雜部件的加工製造。另外，在對電性能沒有特（tè）殊要求的工程應用領（lǐng）域，用導電SiC陶瓷取代傳統的高電阻率SiC陶瓷具有巨大的優勢。同時，半導（dǎo）體行業（yè）對高（gāo）性能導電SiC也（yě）有巨大的市（shì）場需求。
導電SiC陶瓷的製備方法
導電SiC陶瓷的製備方法有（yǒu）化（huà）學氣相沉積(CVD)和粉末燒結。商業化應用的CVD技術已能製備出高純度(99.999%)、低電阻率(＜0.1Ω·cm)的氮摻雜導電SiC陶瓷。由下（xià）表可知，低電阻率的導電CVD-SiC陶瓷的其（qí）他性能與傳統（tǒng）的（de）高電阻率CVD-SiC相當。
不同電阻率的CVD-SiC性能參（cān）數對比
通常，引入導電第（dì）二（èr）相(ZrB2、TiO2、TiC等（děng）)形成電滲流網絡，製備複相導電SiC陶瓷，相比於複相導電SiC陶瓷，摻雜改性SiC由於摻雜量較低，可以最大限度地保留SiC陶瓷原有（yǒu）的（de）優異物化（huà）性能。向SiC中摻雜N原子來取代C原子位置可以把（bǎ）SiC的電阻率下降到10-3Ω·cm，顯著低於電火（huǒ）花加工所需的材料最低（dī）電阻率（lǜ）要求（qiú）(＜100Ω·cm)，因此，通常采用氮摻雜技術來製備導電SiC陶瓷。
(a)3C-SiC晶體結構；(b)N摻雜的3C-SiC晶體結構（gòu）
實現氮摻雜有以下兩種途徑：（1）在（zài）高溫燒結過程中液相燒結助劑溶解氮氣（qì）中的（de）氮（dàn）進入SiC晶格；
（2）含氮化合物在（zài）高溫燒結（jié）過程中為SiC提供摻雜所需的（de）氮源。
總而言（yán）之，摻雜的氮源要麽來自於氮氣（qì），要麽來自於含氮化合物。通過機械球磨把SiC粉末（mò）和燒結助（zhù）劑混（hún）合均勻，然後在（zài）N2中對混合粉末進行高溫燒結。在高溫環境中，液相的燒結助劑會溶解部分氮氣中的氮。同時，如果混合粉末中含有氮的化合物且可以溶於液相燒結助劑，該化合物也會為氮摻雜過程提供部分氮源。
氮摻雜導電SiC陶瓷的粉末燒結方式
氮摻雜導電SiC陶瓷的粉末燒結製備方（fāng）法主要有無壓燒結(PS)、熱壓燒結(HP)和放（fàng）電等離子燒結(SPS)。目前，大部分研究都集（jí）中在無壓燒結和熱（rè）壓燒結，放電等離子燒結作為一（yī）種新燒結技術，在實際應（yīng）用中較少。當采用（yòng）合適（shì）的燒結助劑在適宜的燒（shāo）結工藝下，這三種方法都可以製備出高（gāo）致密度、低電阻率的導電SiC陶瓷，但是每種製備方法都有各（gè）自（zì）的優缺點。
1.無壓燒（shāo）結
無壓燒（shāo）結是指在不施加任（rèn）何外部壓力的情況下，通過添加（jiā）合適（shì）的燒結助劑，在高溫環境(1900~2300℃)下（xià）對粉末進行燒結，其燒結時間較長（通常為1~6h）。這是（shì）最常用、也是（shì）最簡單的燒結方式，其特點在於設備簡（jiǎn）單、成本（běn）較低，易（yì）於工業化生（shēng）產，而且可以對不同形狀和（hé）尺寸的樣品進行致密化（huà）燒結，節省了後續機加工的成本。但是無壓燒結導電SiC陶瓷的晶（jīng）粒尺寸較大，因此（cǐ）其力學性能通常不如（rú）熱壓燒結導電SiC陶瓷。
2.熱壓燒結
熱壓燒結是將粉末裝（zhuāng）入（rù）石（shí）墨模具（jù）中，在加熱混合粉末（mò）的同時（shí），對體係施加外壓，以此來製備致密化樣品。相比於無壓燒結，機械壓力的作用可降低孔隙率，提高材料致密度，並且可以有效地抑製（zhì）SiC晶粒（lì）長（zhǎng）大（dà），提高（gāo）材（cái）料的力學（xué）性能。但是受限於模具和壓力，因此製備的樣品形狀簡單，複雜形狀仍需進行後（hòu）續機加工。
3.放電等離子（zǐ）燒（shāo）結
放電等離子燒結是利用脈衝電流作（zuò）用於導電模具內的試樣，在較短保溫（wēn）時間內（nèi）(1~10min)燒結樣品的一種方法（fǎ），且其升溫速率通常（cháng）大於100℃/min。通過這種向粉末（mò）施加單軸載（zǎi）荷和（hé）脈衝直流電流的方式，可以使得難以燒結的SiC陶瓷在較低的溫度和較短的（de）時間內實現致密化（huà），有效地（dì）抑製SiC的晶粒長大。因（yīn）此，SPS可以實現材料的（de）高致密度、精細顯微組織和幹（gàn）淨晶界，從而全麵提升材料的力學性能，但是SPS隻適用於製備形狀簡單的小尺寸（cùn）樣（yàng）品。
燒結（jié）助劑的類型
由於SiC本身所具有的高共價鍵合性和低自擴散性，導致單一組分的SiC很難致密化，隻（zhī）能在超高溫(2500)和超（chāo）高壓(5GPa)下進行燒結來實（shí）現致密化。通過在燒結過程中添加燒結助劑（jì）可（kě）以有（yǒu）效（xiào）地降低燒（shāo）結溫度（dù），同時實現SiC陶（táo）瓷的致密化。因此，燒（shāo）結助劑對於SiC陶瓷的粉末燒結至關重要。
SiC的（de）燒結助劑可分為（wéi）固相燒結（jié）助劑（C、B等）和液相燒結助劑（稀土氧（yǎng）化物、共晶金屬氧化物等）。
氮摻雜導電SiC陶瓷的（de）製備過程屬於（yú）液（yè）相燒結過程，因此SiC陶瓷的液相燒結助（zhù）劑原則（zé）上都適用於製備氮摻雜導電SiC陶瓷，按照是否可以為（wéi）SiC陶（táo）瓷進一步提供氮（dàn）源的功能性進行區分，其燒結助劑體係包括以下三（sān）種：常規燒結助劑、含氮燒結助劑和燒結助劑－含氮第二相。這些都屬於高溫燒結助劑，燒結溫度通常（cháng）大於1900℃。
1.常規燒結助劑
常規（guī）燒結助（zhù）劑是指本身並不提供氮源，在燒（shāo）結（jié）過（guò）程中（zhōng）形成（chéng）液相（xiàng）燒結（jié）助劑並吸收氮氣氣氛中的氮來實現SiC的致密化燒結（jié）和晶（jīng）格（gé）的（de）氮摻雜，包括稀土氧化物（wù）RE2O3（RE=Y,Sm,Sc,Nd,Eu,Gd,Ho,Er,Lu等）和共晶金屬氧化物兩類。
稀土氧化物RE2O3利（lì）用高溫氮氣氣氛燒結過程中形成的低熔點Re-Si-OCN熔體，在致（zhì）密（mì）化碳化矽（guī）陶瓷的同時實現氮摻雜，包括單一（yī）稀土氧化物（Y2O3,Sm2O3等）和複合稀（xī）土氧（yǎng）化物（Y2O3-Sm2O3,Gd2O3-Y2O3等）兩種形（xíng）式（shì）。
共晶金屬氧化物則利用兩種金屬氧化物形成的低熔點共晶液相作為液相燒結助劑來實現SiC陶瓷（cí）的降溫燒結，其典型代表是（shì）Al2O3-Y2O3。
2.含氮燒（shāo）結助劑
與常規的燒結助劑相比，含氮燒結助劑（jì）在燒結時會分解形成氧化物和氮源，氧化物可以進一步形成液相，在致密化SiC陶瓷（cí）的同時實現氮摻雜，典型代表（biǎo）是硝酸釔(YN)。
燒結助劑－含氮（dàn）第二（èr）相體係是指在（zài）上述燒（shāo）結助劑基礎上複合一定量的氮化（huà）物。常見的氮化物包括：TiN、Si3N4、ZrN等。這些（xiē）氮化物（wù）通（tōng）常在（zài）高溫燒結過（guò）程（chéng）中為氮摻雜提供一部分氮源，從而降低材料（liào）的電阻率。
其中，TiN和ZrN可以在燒結過程中形成導（dǎo）電的Ti2CN和Zr2CN來降低SiC陶瓷的電阻率。值得注意的是，氮化（huà）物的添加在另一方麵也會改變SiC陶瓷的物化性能，因此需要合理地選擇氮化物的含量和類（lèi）型（xíng），以確保在保留SiC陶瓷原有優異物化性能的情況下獲得合（hé）適的電阻率。
參考來源：
1.氮（dàn）摻雜導電碳化矽陶瓷研究進展，楊建國、沈偉健、李華鑫、賀豔明、閭川陽、鄭文健、馬英鶴、魏連峰（材料工程）；
2.SiC基複相導電陶瓷的製（zhì）備與性能研究，陳軍軍（中（zhōng）國科學院上海矽酸鹽研究所）；
3.碳化矽陶瓷燒結助劑的（de）作用機製（zhì）與研究（jiū）進展，付振（zhèn）東、趙健、戴葉婧等（材（cái）料導報）。
