Silicio karbido keramika ir puslaidininkinis silicio karbidas: ta pati medžiaga su dviem skirtingais likimais

1. Skirtingi žaliavų grynumo reikalavimai

 

Keraminės kokybės SiC miltelių žaliavai taikomi gana švelnūs grynumo reikalavimai. Paprastai komercinės kokybės produktai, kurių grynumas yra 90–98 %, gali patenkinti daugumą pritaikymo poreikių, nors didelio našumo konstrukcinei keramikai gali reikėti 98–99,5 % grynumo (pvz., reakcijos būdu sujungtam SiC reikalingas kontroliuojamas laisvojo silicio kiekis). Jis toleruoja tam tikras priemaišas ir kartais sąmoningai į jį įdedama sukepinimo priemonių, tokių kaip aliuminio oksidas (Al₂O₃) arba itrio oksidas (Y₂O₃), siekiant pagerinti sukepinimo savybes, sumažinti sukepinimo temperatūrą ir padidinti galutinio produkto tankį.

 

Puslaidininkinės klasės SiC reikalauja beveik idealaus grynumo lygio. Substratinės klasės monokristaliniam SiC reikalingas ≥99,9999 % (6 N) grynumas, o kai kuriems aukščiausios klasės taikymams – 7 N (99,99999 %) grynumas. Epitaksiniai sluoksniai turi išlaikyti priemaišų koncentraciją mažesnę nei 10¹⁶ atomų/cm³ (ypač vengiant giluminių priemaišų, tokių kaip B, Al ir V). Net ir tokios priemaišos kaip geležis (Fe), aliuminis (Al) arba boras (B) gali smarkiai paveikti elektrines savybes, sukeldamos krūvininkų sklaidą, mažindamos pramušimo lauko stiprumą ir galiausiai pakenkdamos įrenginio veikimui bei patikimumui, todėl būtina griežtai kontroliuoti priemaišas.

 

Silicio karbido puslaidininkinė medžiaga

 

2. Skirtingos kristalinės struktūros ir kokybė

 

Keraminės kokybės SiC daugiausia egzistuoja kaip polikristaliniai milteliai arba sukepinti kūnai, sudaryti iš daugybės atsitiktinai orientuotų SiC mikrokristalų. Medžiaga gali turėti kelis politipus (pvz., α-SiC, β-SiC), griežtai nekontroliuojant konkrečių politipų, o akcentuojant bendrą medžiagos tankį ir vienodumą. Jos vidinei struktūrai būdingos gausios grūdelių ribos ir mikroskopinės poros, taip pat gali būti sukepinimo medžiagų (pvz., Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Puslaidininkinės klasės SiC turi būti monokristaliniai pagrindai arba epitaksiniai sluoksniai su labai tvarkinga kristaline struktūra. Tam reikalingi specifiniai politipai, gauti taikant tikslius kristalų augimo metodus (pvz., 4H-SiC, 6H-SiC). Elektrinės savybės, tokios kaip elektronų judrumas ir draustminė juosta, yra itin jautrios politipo pasirinkimui, todėl būtina griežta kontrolė. Šiuo metu 4H-SiC dominuoja rinkoje dėl savo geresnių elektrinių savybių, įskaitant didelį krūvininkų judrumą ir pramušimo lauko stiprumą, todėl jis idealiai tinka galios įrenginiams.

 

3. Proceso sudėtingumo palyginimas

 

Keraminės kokybės SiC gamybos procesai (miltelių paruošimas → formavimas → sukepinimas) yra gana paprasti, analogiški „plytų gamybai“. Procesas apima:

 

• Komercinės klasės SiC miltelių (paprastai mikrono dydžio) maišymas su rišikliais
• Formavimas presavimo būdu
• Aukštos temperatūros sukepinimas (1600–2200 °C), siekiant tankinimo dalelių difuzijos būdu
  Dauguma pritaikymų gali būti patenkinti, kai tankis yra >90 %. Visam procesui nereikia tikslaus kristalų augimo valdymo, vietoj to daugiausia dėmesio skiriama formavimo ir sukepinimo konsistencijai. Privalumai apima proceso lankstumą sudėtingoms formoms, nors ir santykinai mažesnius grynumo reikalavimus.

 

Puslaidininkinės klasės SiC gamyba apima daug sudėtingesnius procesus (didelio grynumo miltelių paruošimas → monokristalio substrato augimas → epitaksinis plokštelių nusodinimas → įtaisų gamyba). Pagrindiniai etapai:

 

• Pagrindo paruošimas daugiausia naudojant fizinio garų pernašos (PVT) metodą
• SiC miltelių sublimacija ekstremaliomis sąlygomis (2200–2400 °C, aukštas vakuumas)
• Tikslus temperatūros gradientų (±1 °C) ir slėgio parametrų valdymas
• Epitaksinio sluoksnio augimas cheminio garų nusodinimo (CVD) būdu, siekiant sukurti vienodai storus, legiruotus sluoksnius (paprastai nuo kelių iki dešimčių mikronų)
  Visam procesui reikalinga itin švari aplinka (pvz., 10 klasės švarios patalpos), kad būtų išvengta užteršimo. Savybės apima ypatingą proceso tikslumą, reikalaujantį kontroliuoti terminius laukus ir dujų srauto greitį, laikantis griežtų žaliavos grynumo (> 99,9999 %) ir įrangos sudėtingumo reikalavimų.

 

4. Reikšmingi sąnaudų skirtumai ir rinkos orientacijos

 

Keraminės kokybės SiC savybės:

• Žaliava: komercinės klasės milteliai
• Santykinai paprasti procesai
• Mažos kainos: nuo tūkstančių iki dešimčių tūkstančių RMB už toną
• Platus pritaikymas: abrazyvai, ugniai atsparios medžiagos ir kitos sąnaudoms jautrios pramonės šakos

 

Puslaidininkinio SiC savybės:

• Ilgi substrato augimo ciklai
• Sudėtingas defektų valdymas
• Mažos pajamingumo normos
• Didelė kaina: tūkstančiai JAV dolerių už 6 colių pagrindą
• Orientuotos rinkos: didelio našumo elektronika, pavyzdžiui, galios įtaisai ir radijo dažnių komponentai
  Sparčiai tobulėjant naujoms energijos transporto priemonėms ir 5G ryšiui, rinkos paklausa auga eksponentiškai.

 

5. Diferencijuoti taikymo scenarijai

 

Keraminės kokybės SiC daugiausia naudojamas kaip „pramoninis darbinis arkliukas“ konstrukcinėms reikmėms. Dėl puikių mechaninių savybių (didelio kietumo, atsparumo dilimui) ir terminių savybių (atsparumo aukštai temperatūrai, oksidacijos atsparumo), jis pasižymi:

 

• Abrazyvai (šlifavimo diskai, švitrinis popierius)
• Ugniai atsparios medžiagos (aukštos temperatūros krosnių įdėklai)
• Dėvėjimuisi / korozijai atsparūs komponentai (siurblių korpusai, vamzdžių pamušalai)

 

Silicio karbido keraminiai konstrukciniai komponentai

 

Puslaidininkinės klasės SiC veikia kaip „elektroninis elitas“, panaudojant plačios draudžiamosios juostos puslaidininkių savybes, siekiant parodyti unikalius elektroninių prietaisų pranašumus:

 

• Maitinimo įrenginiai: elektromobilių keitikliai, tinklo keitikliai (gerinant energijos konversijos efektyvumą)
• RF įrenginiai: 5G bazinės stotys, radarų sistemos (leidžiančios veikti aukštesniais dažniais)
• Optoelektronika: mėlynų šviesos diodų pagrindo medžiaga

 

200 milimetrų SiC epitaksinė plokštelė

 

Matmuo	Keraminės kokybės SiC	Puslaidininkinės klasės SiC
Kristalinė struktūra	Polikristaliniai, keli politipai	Monokristalas, griežtai atrinkti politipai
Proceso dėmesys	Tankinimas ir formos kontrolė	Kristalų kokybės ir elektrinių savybių kontrolė
Našumo prioritetas	Mechaninis stiprumas, atsparumas korozijai, terminis stabilumas	Elektrinės savybės (draudžiamoji juosta, pramušimo laukas ir kt.)
Taikymo scenarijai	Konstrukciniai komponentai, dilimui atsparios dalys, aukštos temperatūros komponentai	Didelės galios įtaisai, aukšto dažnio įtaisai, optoelektroniniai įtaisai
Sąnaudų veiksniai	Proceso lankstumas, žaliavų kaina	Kristalų augimo greitis, įrangos tikslumas, žaliavos grynumas

 

Apibendrinant, esminis skirtumas kyla iš jų skirtingų funkcinių paskirčių: keraminės kokybės SiC naudoja „formą (struktūrą)“, o puslaidininkinės kokybės SiC – „savybes (elektrines)“. Pirmasis siekia ekonomiškų mechaninių / terminių savybių, o antrasis yra medžiagų paruošimo technologijos viršūnė kaip labai gryna, monokristalinė funkcinė medžiaga. Nors keraminės ir puslaidininkinės kokybės SiC turi tą pačią cheminę kilmę, jie pasižymi aiškiais grynumo, kristalinės struktūros ir gamybos procesų skirtumais, tačiau abu jie reikšmingai prisideda prie pramoninės gamybos ir technologinės pažangos savo atitinkamose srityse.