Силициевият карбид (SiC) е забележително съединение, което може да се открие както в полупроводниковата индустрия, така и в съвременните керамични продукти. Това често води до объркване сред обикновените хора, които могат да ги сбъркат с един и същ вид продукт. В действителност, макар и да споделят идентичен химичен състав, SiC се проявява или като износоустойчива съвременна керамика, или като високоефективни полупроводници, играейки напълно различни роли в промишлените приложения. Съществуват значителни разлики между SiC материалите с керамичен и полупроводников клас по отношение на кристалната структура, производствените процеси, експлоатационните характеристики и областите на приложение.
- Различни изисквания за чистота на суровините
Керамичният SiC има сравнително строги изисквания за чистота на прахообразната си суровина. Обикновено продуктите с търговско качество с чистота 90%-98% могат да отговорят на повечето нужди на приложенията, въпреки че високоефективната структурна керамика може да изисква чистота 98%-99,5% (напр. реакционно свързаният SiC изисква контролирано съдържание на свободен силиций). Той толерира определени примеси и понякога умишлено включва помощни вещества за синтероване като алуминиев оксид (Al₂O₃) или итриев оксид (Y₂O₃), за да подобри производителността на синтероване, да понижи температурите на синтероване и да подобри плътността на крайния продукт.
Полупроводниковият SiC изисква почти перфектни нива на чистота. Монокристалният SiC с качество за подложка изисква чистота ≥99,9999% (6N), като някои високотехнологични приложения изискват чистота 7N (99,99999%). Епитаксиалните слоеве трябва да поддържат концентрации на примеси под 10¹⁶ атома/cm³ (особено като се избягват дълбоки примеси като B, Al и V). Дори следи от примеси като желязо (Fe), алуминий (Al) или бор (B) могат сериозно да повлияят на електрическите свойства, като причинят разсейване на носителите, намалят силата на пробивно поле и в крайна сметка компрометират производителността и надеждността на устройството, което налага строг контрол на примесите.
Силициево-карбиден полупроводников материал
- Различни кристални структури и качество
Керамичният SiC съществува предимно като поликристален прах или синтеровани тела, съставени от множество произволно ориентирани SiC микрокристали. Материалът може да съдържа множество политипове (напр. α-SiC, β-SiC) без строг контрол върху специфичните политипове, като вместо това се набляга на общата плътност и еднородност на материала. Вътрешната му структура се характеризира с изобилие от граници на зърната и микроскопични пори и може да съдържа спомагателни вещества за синтероване (напр. Al₂O₃, Y₂O₃).
Полупроводниковият SiC трябва да бъде монокристална основа или епитаксиален слой с високо подредени кристални структури. Той изисква специфични политипове, получени чрез прецизни техники за растеж на кристали (напр. 4H-SiC, 6H-SiC). Електрическите свойства като електронна мобилност и ширина на забранената зона са изключително чувствителни към избора на политип, което налага строг контрол. В момента 4H-SiC доминира на пазара благодарение на превъзходните си електрически свойства, включително висока мобилност на носителите и сила на пробивно поле, което го прави идеален за силови устройства.
- Сравнение на сложността на процесите
Керамичният SiC използва сравнително прости производствени процеси (приготвяне на прах → формоване → синтероване), аналогични на „производството на тухли“. Процесът включва:
- Смесване на търговски SiC прах (обикновено с размер на микроните) със свързващи вещества
- Формоване чрез пресоване
- Високотемпературно синтероване (1600-2200°C) за постигане на уплътняване чрез дифузия на частици
Повечето приложения могат да бъдат задоволени с плътност >90%. Целият процес не изисква прецизен контрол на растежа на кристалите, като вместо това се фокусира върху консистенцията на формоване и синтероване. Предимствата включват гъвкавост на процеса за сложни форми, макар и с относително по-ниски изисквания за чистота.
Полупроводниковият SiC включва далеч по-сложни процеси (приготвяне на високочист прах → растеж на монокристален субстрат → епитаксиално отлагане на пластини → изработка на устройство). Ключовите стъпки включват:
- Подготовка на основата предимно чрез метода на физически паротранспорт (PVT)
- Сублимация на SiC прах при екстремни условия (2200-2400°C, висок вакуум)
- Прецизен контрол на температурните градиенти (±1°C) и параметрите на налягането
- Епитаксиален растеж на слоеве чрез химическо отлагане от пари (CVD) за създаване на равномерно дебели, легирани слоеве (обикновено от няколко до десетки микрона)
Целият процес изисква ултрачиста среда (напр. чисти помещения клас 10), за да се предотврати замърсяване. Характеристиките включват изключителна прецизност на процеса, изискваща контрол върху топлинните полета и дебита на газа, със строги изисквания както за чистота на суровината (>99,9999%), така и за сложност на оборудването.
- Значителни разлики в разходите и пазарни ориентации
Характеристики на SiC от керамичен клас:
- Суровина: Прах с търговско качество
- Сравнително прости процеси
- Ниска цена: Хиляди до десетки хиляди RMB на тон
- Широки приложения: Абразиви, огнеупорни материали и други индустрии, чувствителни към разходите
Характеристики на SiC от полупроводников клас:
- Дълги цикли на растеж на субстрата
- Предизвикателен контрол на дефектите
- Ниски нива на добив
- Висока цена: Хиляди щатски долари за 6-инчов субстрат
- Фокусирани пазари: Високопроизводителна електроника, като например силови устройства и радиочестотни компоненти
С бързото развитие на превозните средства с нова енергия и 5G комуникациите, пазарното търсене нараства експоненциално.
- Диференцирани сценарии на приложение
Керамичният SiC служи като „индустриален работен кон“ предимно за структурни приложения. Благодарение на отличните си механични свойства (висока твърдост, износоустойчивост) и термични свойства (устойчивост на висока температура, устойчивост на окисляване), той се отличава с:
- Абразиви (шлифовъчни дискове, шкурка)
- Огнеупорни материали (облицовки на пещи за висока температура)
- Компоненти, устойчиви на износване/корозия (корпуси на помпи, облицовки на тръби)
Структурни компоненти от силициев карбид от керамика
Полупроводниковият SiC се представя като „електронния елит“, използвайки своите широколентови полупроводникови свойства, за да демонстрира уникални предимства в електронните устройства:
- Захранващи устройства: инвертори за електрически превозни средства, мрежови конвертори (подобряване на ефективността на преобразуване на енергия)
- RF устройства: 5G базови станции, радарни системи (позволяващи по-високи работни честоти)
- Оптоелектроника: Материал за подложка за сини светодиоди
200-милиметрова епитаксиална SiC пластина
| Размер | SiC с керамичен клас | SiC полупроводников клас |
| Кристална структура | Поликристален, множество политипове | Монокристал, строго подбрани политипове |
| Фокус върху процеса | Уплътняване и контрол на формата | Контрол на качеството на кристалите и електрическите им свойства |
| Приоритет на производителността | Механична якост, устойчивост на корозия, термична стабилност | Електрически свойства (ширина на забранената зона, пробивно поле и др.) |
| Сценарии на приложение | Структурни компоненти, износоустойчиви части, компоненти за висока температура | Високомощни устройства, високочестотни устройства, оптоелектронни устройства |
| Фактори на разходите | Гъвкавост на процеса, цена на суровините | Скорост на растеж на кристалите, прецизност на оборудването, чистота на суровината |
В обобщение, фундаменталната разлика произтича от техните различни функционални цели: керамичният SiC използва „форма (структура)“, докато полупроводниковият SiC използва „свойства (електрически)“. Първият се стреми към рентабилни механични/термични характеристики, докато вторият представлява върха на технологията за подготовка на материали като високочист, монокристален функционален материал. Въпреки че споделят един и същ химичен произход, керамичният и полупроводниковият SiC показват ясни разлики в чистотата, кристалната структура и производствените процеси – но и двата допринасят значително за промишленото производство и технологичния напредък в съответните си области.
XKH е високотехнологично предприятие, специализирано в научноизследователската и развойна дейност и производството на силициево-карбидни (SiC) материали, предлагащо персонализирани услуги за разработка, прецизна обработка и обработка на повърхности, вариращи от високочиста SiC керамика до полупроводникови SiC кристали. Използвайки усъвършенствани технологии за подготовка и интелигентни производствени линии, XKH предоставя SiC продукти и решения с регулируема производителност (90%-7N чистота) и контролирана структура (поликристални/монокристални) за клиенти в областта на полупроводниците, новата енергетика, аерокосмическата промишленост и други авангардни области. Нашите продукти намират широко приложение в полупроводниково оборудване, електрически превозни средства, 5G комуникации и свързани с тях индустрии.
Следните са силициево-карбидни керамични устройства, произведени от XKH.
Време на публикуване: 30 юли 2025 г.