Silīcija karbīds (SiC) ir ievērojams savienojums, ko var atrast gan pusvadītāju rūpniecībā, gan progresīvos keramikas izstrādājumos. Tas bieži rada apjukumu nespeciālistu vidū, kuri tos var sajaukt ar viena veida produktiem. Patiesībā, lai gan SiC ir identisks ķīmiskais sastāvs, tas izpaužas vai nu kā nodilumizturīga progresīva keramika, vai augstas efektivitātes pusvadītāji, kuriem rūpnieciskajos pielietojumos ir pilnīgi atšķirīgas lomas. Starp keramikas un pusvadītāju kvalitātes SiC materiāliem pastāv būtiskas atšķirības kristāla struktūras, ražošanas procesu, veiktspējas raksturlielumu un pielietojuma jomu ziņā.
- Atšķirīgas izejvielu tīrības prasības
Keramikas kvalitātes SiC pulvera izejvielai ir relatīvi vieglas tīrības prasības. Parasti komerciālas kvalitātes produkti ar 90–98 % tīrību var apmierināt lielāko daļu pielietojumu vajadzību, lai gan augstas veiktspējas strukturālajai keramikai var būt nepieciešama 98–99,5 % tīrība (piemēram, reakcijas ceļā savienotam SiC ir nepieciešams kontrolēts brīvā silīcija saturs). Tas panes noteiktus piemaisījumus un dažreiz apzināti iekļauj sintēzes palīgvielas, piemēram, alumīnija oksīdu (Al₂O₃) vai itrija oksīdu (Y₂O₃), lai uzlabotu sintēzes veiktspēju, pazeminātu sintēzes temperatūru un palielinātu gala produkta blīvumu.
Pusvadītāju klases SiC ir nepieciešams gandrīz ideāls tīrības līmenis. Substrātu klases monokristāla SiC ir nepieciešama ≥99,9999% (6N) tīrība, bet dažiem augstas klases lietojumiem ir nepieciešama 7N (99,99999%) tīrība. Epitaksiālajiem slāņiem ir jāuztur piemaisījumu koncentrācija zem 10¹⁶ atomiem/cm³ (īpaši izvairoties no dziļiem piemaisījumiem, piemēram, B, Al un V). Pat tādi piemaisījumu niecīgi daudzumi kā dzelzs (Fe), alumīnijs (Al) vai bors (B) var nopietni ietekmēt elektriskās īpašības, izraisot nesēju izkliedi, samazinot sabrukšanas lauka stiprumu un galu galā apdraudot ierīces veiktspēju un uzticamību, tāpēc ir nepieciešama stingra piemaisījumu kontrole.
Silīcija karbīda pusvadītāju materiāls
- Atšķirīgas kristāla struktūras un kvalitāte
Keramikas kvalitātes SiC galvenokārt pastāv kā polikristālisks pulveris vai saķepināti ķermeņi, kas sastāv no daudziem nejauši orientētiem SiC mikrokristāliem. Materiāls var saturēt vairākus politipus (piemēram, α-SiC, β-SiC) bez stingras kontroles pār konkrētiem politipiem, bet gan ar uzsvaru uz kopējo materiāla blīvumu un vienmērīgumu. Tā iekšējai struktūrai raksturīgas bagātīgas graudu robežas un mikroskopiskas poras, un tā var saturēt saķepināšanas palīgvielas (piemēram, Al₂O₃, Y₂O₃).
Pusvadītāju kvalitātes SiC jābūt monokristāla substrātiem vai epitaksiāliem slāņiem ar ļoti sakārtotu kristāla struktūru. Tam nepieciešami specifiski politipi, kas iegūti, izmantojot precīzas kristālu augšanas metodes (piemēram, 4H-SiC, 6H-SiC). Elektriskās īpašības, piemēram, elektronu mobilitāte un joslas sprauga, ir ārkārtīgi jutīgas pret politipa izvēli, tāpēc ir nepieciešama stingra kontrole. Pašlaik 4H-SiC dominē tirgū, pateicoties tā pārākajām elektriskajām īpašībām, tostarp augstajai nesēju mobilitātei un sabrukšanas lauka stiprumam, padarot to ideāli piemērotu barošanas ierīcēm.
- Procesa sarežģītības salīdzinājums
Keramikas kvalitātes SiC ražošanas procesi (pulvera sagatavošana → formēšana → sintēšana) ir līdzīgi kā “ķieģeļu ražošanā”. Process ietver:
- Komerciālas kvalitātes SiC pulvera (parasti mikrona izmēra) sajaukšana ar saistvielām
- Formēšana, izmantojot presēšanu
- Augstas temperatūras sintēze (1600–2200 °C), lai panāktu blīvēšanu, izmantojot daļiņu difūziju
Lielāko daļu pielietojumu var apmierināt ar >90% blīvumu. Visam procesam nav nepieciešama precīza kristālu augšanas kontrole, tā vietā koncentrējoties uz formēšanas un saķepināšanas konsistenci. Priekšrocības ietver procesa elastību sarežģītu formu gadījumā, lai gan ar relatīvi zemākām tīrības prasībām.
Pusvadītāju kvalitātes SiC ražošanā ir iesaistīti daudz sarežģītāki procesi (augstas tīrības pakāpes pulvera sagatavošana → monokristāla substrāta audzēšana → epitaksiāla plākšņu nogulsnēšana → ierīces izgatavošana). Galvenie soļi ietver:
- Substrāta sagatavošana galvenokārt ar fizikālās tvaiku pārneses (PVT) metodi
- SiC pulvera sublimācija ekstremālos apstākļos (2200–2400 °C, augsts vakuums)
- Precīza temperatūras gradientu (±1°C) un spiediena parametru kontrole
- Epitaksiālā slāņa augšana, izmantojot ķīmisko tvaiku uzklāšanu (CVD), lai izveidotu vienmērīgi biezus, leģētus slāņus (parasti no vairākiem līdz desmitiem mikronu)
Visam procesam ir nepieciešama īpaši tīra vide (piemēram, 10. klases tīrtelpas), lai novērstu piesārņojumu. Raksturlielumi ietver ārkārtēju procesa precizitāti, kas prasa kontroli pār termiskajiem laukiem un gāzes plūsmas ātrumu, ar stingrām prasībām gan izejvielu tīrībai (>99,9999%), gan iekārtu sarežģītībai.
- Būtiskas izmaksu atšķirības un tirgus orientācijas
Keramikas kvalitātes SiC īpašības:
- Izejviela: komerciālas kvalitātes pulveris
- Salīdzinoši vienkārši procesi
- Zemas izmaksas: no tūkstošiem līdz desmitiem tūkstošu RMB par tonnu
- Plašs pielietojums: abrazīvi materiāli, ugunsizturīgie materiāli un citas izmaksu ziņā jutīgas nozares
Pusvadītāju līmeņa SiC īpašības:
- Ilgi substrāta augšanas cikli
- Sarežģīta defektu kontrole
- Zemas ienesīguma likmes
- Augstas izmaksas: tūkstošiem ASV dolāru par 6 collu substrātu
- Koncentrētie tirgi: augstas veiktspējas elektronika, piemēram, barošanas ierīces un RF komponenti
Līdz ar jaunu enerģijas transportlīdzekļu un 5G sakaru straujo attīstību tirgus pieprasījums pieaug eksponenciāli.
- Diferencēti lietojumprogrammu scenāriji
Keramikas kvalitātes SiC kalpo kā “industriālais darba zirgs” galvenokārt strukturāliem pielietojumiem. Pateicoties tā lieliskajām mehāniskajām īpašībām (augsta cietība, nodilumizturība) un termiskajām īpašībām (augsta temperatūras izturība, oksidēšanās izturība), tas izceļas ar:
- Abrazīvi materiāli (slīpripas, smilšpapīrs)
- Ugunsizturīgi materiāli (augstas temperatūras krāsns oderējums)
- Nodilumizturīgas/korozijizturīgas detaļas (sūkņu korpusi, cauruļu oderējumi)
Silīcija karbīda keramikas konstrukcijas komponenti
Pusvadītāju klases SiC darbojas kā "elektroniskā elite", izmantojot tā platjoslas pusvadītāju īpašības, lai demonstrētu unikālas priekšrocības elektroniskajās ierīcēs:
- Jaudas ierīces: elektrotransportlīdzekļu invertori, tīkla pārveidotāji (uzlabo jaudas pārveidošanas efektivitāti)
- RF ierīces: 5G bāzes stacijas, radaru sistēmas (nodrošina augstākas darbības frekvences)
- Optoelektronika: substrāta materiāls zilajām gaismas diodēm
200 milimetru SiC epitaksiālā vafele
| Izmērs | Keramikas kvalitātes SiC | Pusvadītāju kvalitātes SiC |
| Kristāla struktūra | Polikristāliski, vairāki politipi | Monokristāls, stingri atlasīti politipi |
| Procesa fokuss | Blīvēšana un formas kontrole | Kristāla kvalitātes un elektrisko īpašību kontrole |
| Veiktspējas prioritāte | Mehāniskā izturība, izturība pret koroziju, termiskā stabilitāte | Elektriskās īpašības (joslas sprauga, sabrukšanas lauks utt.) |
| Lietojumprogrammu scenāriji | Konstrukcijas komponenti, nodilumizturīgas detaļas, augstas temperatūras komponenti | Lieljaudas ierīces, augstfrekvences ierīces, optoelektroniskās ierīces |
| Izmaksu virzītājspēki | Procesa elastība, izejvielu izmaksas | Kristālu augšanas ātrums, iekārtu precizitāte, izejvielu tīrība |
Rezumējot, fundamentālā atšķirība izriet no to atšķirīgajiem funkcionālajiem mērķiem: keramikas kvalitātes SiC izmanto “formu (struktūru)”, savukārt pusvadītāju kvalitātes SiC izmanto “īpašības (elektriskās)”. Pirmais tiecas uz rentablu mehānisko/termisko veiktspēju, savukārt otrais pārstāv materiālu sagatavošanas tehnoloģijas virsotni kā augstas tīrības pakāpes, monokristāla funkcionāls materiāls. Lai gan keramikas un pusvadītāju kvalitātes SiC ir vienāda ķīmiskā izcelsme, tiem ir skaidras atšķirības tīrības pakāpes, kristāla struktūras un ražošanas procesu ziņā, tomēr abi sniedz ievērojamu ieguldījumu rūpnieciskajā ražošanā un tehnoloģiju attīstībā savās attiecīgajās jomās.
XKH ir augsto tehnoloģiju uzņēmums, kas specializējas silīcija karbīda (SiC) materiālu pētniecībā un attīstībā, kā arī ražošanā, piedāvājot pielāgotus izstrādes, precīzas apstrādes un virsmas apstrādes pakalpojumus, sākot no augstas tīrības pakāpes SiC keramikas līdz pusvadītāju kvalitātes SiC kristāliem. Izmantojot progresīvas sagatavošanas tehnoloģijas un inteliģentas ražošanas līnijas, XKH nodrošina regulējamas veiktspējas (90%-7N tīrības pakāpe) un struktūras kontrolētus (polikristāliskus/monokristāliskus) SiC produktus un risinājumus klientiem pusvadītāju, jaunās enerģijas, kosmosa un citās progresīvās jomās. Mūsu produkti tiek plaši izmantoti pusvadītāju iekārtās, elektriskajos transportlīdzekļos, 5G sakaros un saistītajās nozarēs.
Šīs ir XKH ražotās silīcija karbīda keramikas ierīces.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 30. jūlijs