Силицијум карбид керамика наспрам полупроводничког силицијум карбида: исти материјал са две различите судбине

1. Различити захтеви за чистоћу сировина

 

Керамички SiC има релативно благе захтеве за чистоћу прахастог сировина. Типично, производи комерцијалног квалитета са чистоћом од 90%-98% могу задовољити већину потреба примене, иако високо ефикасна структурна керамика може захтевати чистоћу од 98%-99,5% (нпр. реакционо везани SiC захтева контролисани садржај слободног силицијума). Толерише одређене нечистоће и понекад намерно укључује помоћна средства за синтеровање попут алуминијум оксида (Al₂O₃) или итријум оксида (Y₂O₃) како би се побољшале перформансе синтеровања, снизиле температуре синтеровања и повећала густина коначног производа.

 

Полупроводнички SiC захтева скоро савршен ниво чистоће. Монокристални SiC подлоге захтева чистоћу ≥99,9999% (6N), док неке висококвалитетне примене захтевају чистоћу од 7N (99,99999%). Епитаксијални слојеви морају одржавати концентрације нечистоћа испод 10¹⁶ атома/cm³ (посебно избегавајући нечистоће дубоких нивоа попут B, Al и V). Чак и трагови нечистоћа попут гвожђа (Fe), алуминијума (Al) или бора (B) могу озбиљно утицати на електрична својства изазивајући расејање носилаца, смањујући јачину пробојног поља и на крају угрожавајући перформансе и поузданост уређаја, што захтева строгу контролу нечистоћа.

 

Силицијум карбид полупроводнички материјал

 

2. Различите кристалне структуре и квалитет

 

Керамички SiC првенствено постоји као поликристални прах или синтерована тела састављена од бројних насумично оријентисаних SiC микрокристала. Материјал може да садржи више политипова (нпр. α-SiC, β-SiC) без строге контроле над специфичним политиповима, са нагласком на укупну густину и уједначеност материјала. Његова унутрашња структура карактерише обилне границе зрна и микроскопске поре, и може да садржи помоћна средства за синтеровање (нпр. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Полупроводнички SiC мора бити монокристална подлога или епитаксијални слојеви са високо уређеним кристалним структурама. Захтева специфичне политипове добијене прецизним техникама раста кристала (нпр. 4H-SiC, 6H-SiC). Електрична својства попут мобилности електрона и енергетског процепа су изузетно осетљива на избор политипа, што захтева строгу контролу. Тренутно, 4H-SiC доминира тржиштем због својих супериорних електричних својстава, укључујући високу мобилност носилаца и јачину пробојног поља, што га чини идеалним за енергетске уређаје.

 

3. Поређење сложености процеса

 

Керамички SiC користи релативно једноставне производне процесе (припрема праха → обликовање → синтеровање), аналогно „изради цигле“. Процес укључује:

 

• Мешање SiC праха комерцијалног квалитета (обично микронске величине) са везивима
• Формирање пресовањем
• Синтеровање на високој температури (1600-2200°C) ради постизања згушњавања дифузијом честица
  Већина примена може бити задовољена густином већом од 90%. Читав процес не захтева прецизну контролу раста кристала, већ се фокусира на конзистентност обликовања и синтеровања. Предности укључују флексибилност процеса за сложене облике, иако са релативно нижим захтевима за чистоћу.

 

Полупроводнички SiC захтева далеко сложеније процесе (припрема праха високе чистоће → раст монокристалне подлоге → епитаксијално наношење плочице → израда уређаја). Кључни кораци укључују:

 

• Припрема подлоге првенствено методом физичког транспорта паре (PVT)
• Сублимација SiC праха у екстремним условима (2200-2400°C, високи вакуум)
• Прецизна контрола температурних градијената (±1°C) и параметара притиска
• Епитаксијални раст слоја путем хемијског таложења из паре (CVD) за стварање равномерно дебелих, допираних слојева (обично од неколико до десетина микрона)
  Читав процес захтева ултрачиста окружења (нпр. чисте собе класе 10) како би се спречила контаминација. Карактеристике укључују екстремну прецизност процеса, што захтева контролу над термичким пољима и брзинама протока гаса, са строгим захтевима за чистоћу сировина (>99,9999%) и софистицираност опреме.

 

4. Значајне разлике у трошковима и тржишне оријентације

 

Карактеристике SiC керамичког квалитета:

• Сировина: Прах комерцијалног квалитета
• Релативно једноставни процеси
• Ниска цена: Хиљаде до десетине хиљада RMB по тони
• Широка примена: Абразиви, ватростални материјали и друге индустрије осетљиве на трошкове

 

Карактеристике SiC полупроводничког квалитета:

• Дуги циклуси раста супстрата
• Изазовна контрола дефеката
• Ниске стопе приноса
• Висока цена: Хиљаде америчких долара по подлози од 6 инча
• Фокусирана тржишта: Високоперформансна електроника попут уређаја за напајање и РФ компоненти
  Са брзим развојем возила на нове енергије и 5Г комуникација, потражња на тржишту расте експоненцијално.

 

5. Диференцирани сценарији примене

 

SiC керамичког квалитета служи као „индустријски радни коњ“ првенствено за структурне примене. Користећи своја одлична механичка својства (висока тврдоћа, отпорност на хабање) и термичка својства (отпорност на високе температуре, отпорност на оксидацију), истиче се у:

 

• Абразиви (брусни точкови, шмиргла)
• Ватростални материјали (облоге пећи на високим температурама)
• Компоненте отпорне на хабање/корозију (тела пумпи, облоге цеви)

 

Структурне компоненте силицијум-карбидне керамике

 

Полупроводнички SiC се понаша као „електронска елита“, користећи своја полупроводничка својства са широким енергетским процепом како би демонстрирао јединствене предности у електронским уређајима:

 

• Уређаји за напајање: инвертори за електрична возила, мрежни конвертори (побољшање ефикасности конверзије енергије)
• РФ уређаји: 5Г базне станице, радарски системи (омогућавајући веће радне фреквенције)
• Оптоелектроника: Материјал подлоге за плаве ЛЕД диоде

 

Епитаксијална SiC плочица од 200 милиметара

 

Димензија	SiC керамичког квалитета	SiC полупроводничког квалитета
Кристална структура	Поликристални, вишеструки политипови	Монокристал, строго одабрани политипови
Фокус на процес	Згушњавање и контрола облика	Контрола квалитета кристала и електричних својстава
Приоритет перформанси	Механичка чврстоћа, отпорност на корозију, термичка стабилност	Електрична својства (ширина забрањене зоне, пробојно поље итд.)
Сценарији примене	Структурне компоненте, делови отпорни на хабање, компоненте отпорне на високе температуре	Уређаји велике снаге, високофреквентни уређаји, оптоелектронски уређаји
Фактори трошкова	Флексибилност процеса, трошкови сировина	Брзина раста кристала, прецизност опреме, чистоћа сировина

 

Укратко, фундаментална разлика проистиче из њихових различитих функционалних намена: керамички SiC користи „облик (структуру)“, док полупроводнички SiC користи „својства (електрична)“. Први тежи исплативим механичким/термичким перформансама, док други представља врхунац технологије припреме материјала као високочисти, монокристални функционални материјал. Иако деле исто хемијско порекло, керамички и полупроводнички SiC показују јасне разлике у чистоћи, кристалној структури и процесима производње – ипак оба значајно доприносе индустријској производњи и технолошком напретку у својим областима.