Silikonkarbiedkeramiek teenoor halfgeleier-silikonkarbied: dieselfde materiaal met twee verskillende bestemmings

1. Uiteenlopende Suiwerheidsvereistes vir Grondstowwe

 

Keramiekgraad SiC het relatief toegeeflike suiwerheidsvereistes vir sy poeiervoermateriaal. Tipies kan kommersiële graadprodukte met 90%-98% suiwerheid aan die meeste toepassingsbehoeftes voldoen, hoewel hoëprestasie-strukturele keramiek 'n suiwerheid van 98%-99.5% mag vereis (bv. reaksiegebonde SiC vereis beheerde vrye silikoninhoud). Dit verdra sekere onsuiwerhede en bevat soms doelbewus sinterhulpmiddels soos aluminiumoksied (Al₂O₃) of yttriumoksied (Y₂O₃) om sinterprestasie te verbeter, sintertemperature te verlaag en die finale produkdigtheid te verhoog.

 

Halfgeleiergraad SiC vereis byna perfekte suiwerheidsvlakke. Substraatgraad enkelkristal SiC vereis ≥99.9999% (6N) suiwerheid, met sommige hoë-end toepassings wat 7N (99.99999%) suiwerheid benodig. Epitaksiale lae moet onsuiwerheidskonsentrasies onder 10¹⁶ atome/cm³ handhaaf (veral om diepvlak-onsuiwerhede soos B, Al en V te vermy). Selfs spooronsuiwerhede soos yster (Fe), aluminium (Al) of boor (B) kan elektriese eienskappe ernstig beïnvloed deur draerverstrooiing te veroorsaak, die deurslagveldsterkte te verminder en uiteindelik die toestel se prestasie en betroubaarheid in die gedrang te bring, wat streng onsuiwerheidsbeheer noodsaak.

 

Silikonkarbied halfgeleiermateriaal

 

2. Onderskeidende kristalstrukture en kwaliteit

 

Keramiekgraad SiC bestaan hoofsaaklik as polikristallyne poeier of gesinterde liggame wat bestaan uit talle willekeurig georiënteerde SiC-mikrokristalle. Die materiaal kan verskeie politipes bevat (bv. α-SiC, β-SiC) sonder streng beheer oor spesifieke politipes, met die klem eerder op algehele materiaaldigtheid en eenvormigheid. Die interne struktuur daarvan beskik oor oorvloedige korrelgrense en mikroskopiese porieë, en kan sinterhulpmiddels bevat (bv. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Halfgeleiergraad SiC moet enkelkristalsubstrate of epitaksiale lae met hoogs geordende kristalstrukture wees. Dit vereis spesifieke politipes wat verkry word deur presisie-kristalgroeitegnieke (bv. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektriese eienskappe soos elektronmobiliteit en bandgaping is uiters sensitief vir politipe-keuse, wat streng beheer noodsaak. Tans oorheers 4H-SiC die mark as gevolg van sy superieure elektriese eienskappe, insluitend hoë draermobiliteit en deurslagveldsterkte, wat dit ideaal maak vir kragtoestelle.

 

3. Proseskompleksiteitsvergelyking

 

Keramiekgraad SiC gebruik relatief eenvoudige vervaardigingsprosesse (poeiervoorbereiding → vorming → sintering), analoog aan "baksteenmaak". Die proses behels:

 

• Meng van kommersiële graad SiC-poeier (gewoonlik mikrongrootte) met bindmiddels
• Vorming deur middel van persing
• Hoëtemperatuur-sintering (1600-2200°C) om verdigting deur deeltjiediffusie te bereik
  Die meeste toepassings kan met 'n digtheid van >90% bevredig word. Die hele proses vereis nie presiese kristalgroeibeheer nie, maar fokus eerder op die vorming en sintering van konsekwentheid. Voordele sluit in prosesbuigsaamheid vir komplekse vorms, alhoewel met relatief laer suiwerheidsvereistes.

 

Halfgeleiergraad SiC behels veel meer komplekse prosesse (hoë-suiwerheid poeiervoorbereiding → enkelkristal substraatgroei → epitaksiale waferafsetting → toestelvervaardiging). Belangrike stappe sluit in:

 

• Substraatvoorbereiding hoofsaaklik via fisiese dampvervoer (PVT) metode
• Sublimasie van SiC-poeier onder ekstreme toestande (2200-2400°C, hoë vakuum)
• Presiese beheer van temperatuurgradiënte (±1°C) en drukparameters
• Epitaksiale laaggroei via chemiese dampafsetting (CVD) om eenvormig dik, gedoteerde lae te skep (gewoonlik etlike tot tiene mikron)
  Die hele proses vereis ultra-skoon omgewings (bv. Klas 10 skoonkamers) om kontaminasie te voorkom. Eienskappe sluit in uiterste prosespresisie, wat beheer oor termiese velde en gasvloeitempo's vereis, met streng vereistes vir beide die suiwerheid van grondstowwe (>99.9999%) en die gesofistikeerdheid van toerusting.

 

4. Beduidende kosteverskille en markoriëntasies

 

Keramiekgraad SiC-kenmerke:

• Rou materiaal: Kommersiële graad poeier
• Relatief eenvoudige prosesse
• Lae koste: Duisende tot tienduisende RMB per ton
• Breë toepassings: Skuurmiddels, vuurvaste materiale en ander koste-sensitiewe nywerhede

 

Halfgeleiergraad SiC-kenmerke:

• Lang substraatgroeisiklusse
• Uitdagende defekbeheer
• Lae opbrengskoerse
• Hoë koste: Duisende USD per 6-duim substraat
• Gefokusde markte: Hoëprestasie-elektronika soos kragtoestelle en RF-komponente
  Met die vinnige ontwikkeling van nuwe energievoertuie en 5G-kommunikasie groei die markvraag eksponensieel.

 

5. Gedifferensieerde Toepassingscenario's

 

Keramiekgraad SiC dien as die "industriële werkesel" hoofsaaklik vir strukturele toepassings. Deur gebruik te maak van sy uitstekende meganiese eienskappe (hoë hardheid, slytasieweerstand) en termiese eienskappe (hoë temperatuurweerstand, oksidasieweerstand), blink dit uit in:

 

• Skuurmiddels (slypwiele, skuurpapier)
• Vuurvaste materiale (hoëtemperatuur-oondvoerings)
• Slytasie-/korrosiebestande komponente (pompliggame, pypvoerings)

 

Silikonkarbied keramiek strukturele komponente

 

Halfgeleiergraad SiC presteer as die "elektroniese elite", en gebruik sy wye bandgaping-halfgeleier-eienskappe om unieke voordele in elektroniese toestelle te demonstreer:

 

• Kragtoestelle: EV-omsetters, netwerkomsetters (verbetering van kragomskakelingsdoeltreffendheid)
• RF-toestelle: 5G-basisstasies, radarstelsels (wat hoër bedryfsfrekwensies moontlik maak)
• Opto-elektronika: Substraatmateriaal vir blou LED's

 

200-millimeter SiC epitaksiale wafer

 

Dimensie	Keramiek-graad SiC	Halfgeleiergraad SiC
Kristalstruktuur	Polikristallyne, veelvuldige politipes	Enkelkristal, streng geselekteerde politipes
Prosesfokus	Verdigting en vormbeheer	Kristalkwaliteit en elektriese eienskapsbeheer
Prestasieprioriteit	Meganiese sterkte, korrosiebestandheid, termiese stabiliteit	Elektriese eienskappe (bandgap, deurslagveld, ens.)
Toepassingscenario's	Strukturele komponente, slytbestande onderdele, hoëtemperatuurkomponente	Hoëkragtoestelle, hoëfrekwensietoestelle, opto-elektroniese toestelle
Koste-drywers	Prosesbuigsaamheid, grondstofkoste	Kristalgroeitempo, toerustingpresisie, suiwerheid van grondstowwe

 

Kortliks, die fundamentele verskil spruit uit hul onderskeie funksionele doeleindes: keramiekgraad SiC gebruik "vorm (struktuur)" terwyl halfgeleiergraad SiC "eienskappe (elektries)" gebruik. Eersgenoemde streef na koste-effektiewe meganiese/termiese werkverrigting, terwyl laasgenoemde die toppunt van materiaalvoorbereidingstegnologie as hoë-suiwerheid, enkelkristal funksionele materiaal verteenwoordig. Alhoewel hulle dieselfde chemiese oorsprong deel, toon keramiekgraad en halfgeleiergraad SiC duidelike verskille in suiwerheid, kristalstruktuur en vervaardigingsprosesse – tog lewer beide beduidende bydraes tot industriële produksie en tegnologiese vooruitgang in hul onderskeie domeine.