A szilícium-karbid (SiC) egy figyelemre méltó vegyület, amely mind a félvezetőiparban, mind a fejlett kerámiatermékekben megtalálható. Ez gyakran zavart okozhat a laikusok körében, akik összetéveszthetik őket ugyanazon típusú termékkel. A valóságban, bár azonos kémiai összetételű, a SiC vagy kopásálló fejlett kerámiákként, vagy nagy hatékonyságú félvezetőkként jelenik meg, teljesen eltérő szerepet játszva az ipari alkalmazásokban. Jelentős különbségek vannak a kerámia minőségű és a félvezető minőségű SiC anyagok között a kristályszerkezet, a gyártási folyamatok, a teljesítményjellemzők és az alkalmazási területek tekintetében.
- A nyersanyagok eltérő tisztasági követelményei
A kerámia minőségű SiC por állagú alapanyagának tisztasági követelményei viszonylag enyhék. A 90–98%-os tisztaságú kereskedelmi minőségű termékek jellemzően a legtöbb alkalmazási igényt kielégítik, bár a nagy teljesítményű szerkezeti kerámiák 98–99,5%-os tisztaságot igényelhetnek (pl. a reakciókötésű SiC szabályozott szabad szilíciumtartalmat igényel). Bizonyos szennyeződéseket tolerál, és néha szándékosan szinterelési segédanyagokat, például alumínium-oxidot (Al₂O₃) vagy ittrium-oxidot (Y₂O₃) tartalmaz a szinterelési teljesítmény javítása, a szinterelési hőmérséklet csökkentése és a végtermék sűrűségének növelése érdekében.
A félvezető minőségű SiC közel tökéletes tisztasági szintet követel meg. Az aljzat minőségű egykristályos SiC ≥99,9999%-os (6N) tisztaságot igényel, míg egyes csúcskategóriás alkalmazásokhoz 7N (99,99999%) tisztaság szükséges. Az epitaxiális rétegeknek a szennyeződési koncentrációját 10¹⁶ atom/cm³ alatt kell tartaniuk (különösen kerülni kell a mélyen lévő szennyeződéseket, mint például a B, Al és V). Még a nyomokban előforduló szennyeződések, például a vas (Fe), az alumínium (Al) vagy a bór (B) is súlyosan befolyásolhatják az elektromos tulajdonságokat azáltal, hogy töltéshordozó-szórást okoznak, csökkentik az átütési térerősséget, és végső soron rontják az eszköz teljesítményét és megbízhatóságát, ami szigorú szennyeződés-szabályozást tesz szükségessé.
Szilícium-karbid félvezető anyag
- Megkülönböztethető kristályszerkezetek és minőség
A kerámia minőségű SiC elsősorban polikristályos por vagy számos véletlenszerűen orientált SiC mikrokristályból álló szinterezett test formájában létezik. Az anyag több politípust is tartalmazhat (pl. α-SiC, β-SiC) anélkül, hogy az egyes politípusokat szigorúan ellenőriznék, ehelyett a hangsúly az anyag teljes sűrűségén és egyenletességén van. Belső szerkezete gazdag szemcsehatárokkal és mikroszkopikus pórusokkal rendelkezik, és szinterezési segédanyagokat is tartalmazhat (pl. Al₂O₃, Y₂O₃).
A félvezető minőségű SiC-nek egykristályos szubsztrátnak vagy epitaxiális rétegnek kell lennie, magasan rendezett kristályszerkezettel. Ehhez specifikus politípusokra van szükség, amelyeket precíziós kristálynövesztési technikákkal nyernek (pl. 4H-SiC, 6H-SiC). Az olyan elektromos tulajdonságok, mint az elektronmobilitás és a tiltott sáv, rendkívül érzékenyek a politípusok kiválasztására, ami szigorú ellenőrzést tesz szükségessé. Jelenleg a 4H-SiC uralja a piacot kiváló elektromos tulajdonságai, többek között a nagy töltéshordozó-mobilitás és az átütési térerősség miatt, így ideálissá teszi nagy teljesítményű eszközökhöz.
- Folyamatkomplexitás-összehasonlítás
A kerámia minőségű SiC viszonylag egyszerű gyártási folyamatokat alkalmaz (por előkészítése → formázás → szinterezés), amelyek hasonlóak a „téglagyártáshoz”. A folyamat a következőket foglalja magában:
- Kereskedelmi minőségű SiC por (jellemzően mikron méretű) keverése kötőanyagokkal
- Préselés útján történő formázás
- Magas hőmérsékletű szinterezés (1600-2200°C) a részecskediffúzió révén történő tömörítés érdekében
A legtöbb alkalmazás kielégíthető 90%-nál nagyobb sűrűséggel. A teljes folyamat nem igényel pontos kristálynövekedés-szabályozást, ehelyett a formázási és szinterelési konzisztenciára összpontosít. Az előnyök közé tartozik a folyamat rugalmassága összetett formák esetén, bár viszonylag alacsonyabb tisztasági követelményekkel.
A félvezető minőségű SiC sokkal összetettebb folyamatokat foglal magában (nagy tisztaságú por előkészítése → egykristályos szubsztrát növekedése → epitaxiális ostya leválasztása → eszközgyártás). A főbb lépések a következők:
- Aljzat előkészítése elsősorban fizikai gőzszállítással (PVT)
- SiC por szublimációja extrém körülmények között (2200-2400°C, nagyvákuum)
- A hőmérséklet-gradiensek (±1°C) és a nyomásparaméterek pontos szabályozása
- Epitaxiális rétegnövekedés kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) egyenletesen vastag, adalékolt rétegek létrehozása érdekében (jellemzően több vagy akár több tíz mikron vastagságban)
A teljes folyamat ultratiszta környezetet igényel (pl. 10-es osztályú tisztaterek) a szennyeződés megelőzése érdekében. A jellemzők közé tartozik a rendkívüli folyamatpontosság, amely megköveteli a hőmezők és a gázáramlási sebességek feletti ellenőrzést, valamint szigorú követelményeket támaszt mind a nyersanyag tisztaságára (>99,9999%), mind a berendezések kifinomultságára vonatkozóan.
- Jelentős költségkülönbségek és piaci orientációk
Kerámia minőségű SiC jellemzői:
- Nyersanyag: Kereskedelmi minőségű por
- Viszonylag egyszerű folyamatok
- Alacsony költség: Több ezer vagy akár több tízezer RMB tonnánként
- Széles körű alkalmazások: Csiszolóanyagok, tűzálló anyagok és egyéb költségérzékeny iparágak
Félvezető minőségű SiC jellemzői:
- Hosszú szubsztrát növekedési ciklusok
- Kihívást jelentő hibaelhárítás
- Alacsony hozamráták
- Magas költség: Több ezer USD 6 hüvelykes hordozónként
- Fókuszált piacok: Nagy teljesítményű elektronikai cikkek, mint például teljesítményeszközök és rádiófrekvenciás alkatrészek
Az új energiahordozók és az 5G kommunikáció gyors fejlődésével a piaci kereslet exponenciálisan növekszik.
- Differenciált alkalmazási forgatókönyvek
A kerámia minőségű SiC elsősorban szerkezeti alkalmazásokhoz szolgál „ipari munkagépként”. Kiváló mechanikai tulajdonságainak (nagy keménység, kopásállóság) és termikus tulajdonságainak (magas hőmérséklet-állóság, oxidációs ellenállás) köszönhetően a következőkben jeleskedik:
- Csiszolóanyagok (csiszolókorongok, csiszolópapír)
- Tűzálló anyagok (magas hőmérsékletű kemencebélések)
- Kopás-/korrózióálló alkatrészek (szivattyúházak, csőbélések)
Szilícium-karbid kerámia szerkezeti alkatrészek
A félvezető minőségű SiC az „elektronikai elitként” működik, széles tiltott sávú félvezető tulajdonságait kihasználva egyedi előnyöket mutat be az elektronikus eszközökben:
- Energiaellátó eszközök: elektromos járművek inverterei, hálózati átalakítók (az energiaátalakítás hatékonyságának javítása)
- RF eszközök: 5G bázisállomások, radarrendszerek (magasabb működési frekvenciákat tesznek lehetővé)
- Optoelektronika: Kék LED-ek hordozóanyaga
200 milliméteres SiC epitaxiális ostya
| Dimenzió | Kerámia minőségű SiC | Félvezető minőségű SiC |
| Kristályszerkezet | Polikristályos, többszörös politípusok | Egykristályos, szigorúan kiválasztott politípusok |
| Folyamatfókusz | Sűrűsödés és alakszabályozás | Kristályminőség és elektromos tulajdonságok szabályozása |
| Teljesítményprioritás | Mechanikai szilárdság, korrózióállóság, hőstabilitás | Elektromos tulajdonságok (sávszélesség, átütési mező stb.) |
| Alkalmazási forgatókönyvek | Szerkezeti alkatrészek, kopásálló alkatrészek, magas hőmérsékletű alkatrészek | Nagy teljesítményű eszközök, nagyfrekvenciás eszközök, optoelektronikai eszközök |
| Költségtényezők | Folyamatrugalmasság, nyersanyagköltség | Kristálynövekedési sebesség, berendezés pontossága, nyersanyag tisztasága |
Összefoglalva, az alapvető különbség eltérő funkcionális céljaikból fakad: a kerámia minőségű SiC „formát (szerkezetet)” használ, míg a félvezető minőségű SiC „tulajdonságokat (elektromos)”. Az előbbi költséghatékony mechanikai/termikus teljesítményre törekszik, míg az utóbbi az anyagelőkészítési technológia csúcsát képviseli nagy tisztaságú, egykristályos funkcionális anyagként. Bár azonos kémiai eredetűek, a kerámia és a félvezető minőségű SiC egyértelmű különbségeket mutat a tisztaság, a kristályszerkezet és a gyártási folyamatok tekintetében – mégis mindkettő jelentősen hozzájárul az ipari termeléshez és a technológiai fejlődéshez a saját területén.
Az XKH egy high-tech vállalat, amely szilícium-karbid (SiC) anyagok kutatás-fejlesztésére és gyártására specializálódott, és egyedi fejlesztési, precíziós megmunkálási és felületkezelési szolgáltatásokat kínál a nagy tisztaságú SiC kerámiáktól a félvezető minőségű SiC kristályokig. A fejlett előkészítési technológiák és intelligens gyártósorok kihasználásával az XKH hangolható teljesítményű (90%-7N tisztaságú) és szerkezetvezérelt (polikristályos/egykristályos) SiC termékeket és megoldásokat kínál félvezető, új energia, repülőgépipar és más élvonalbeli területeken működő ügyfelek számára. Termékeink széles körben alkalmazhatók félvezető berendezésekben, elektromos járművekben, 5G kommunikációban és a kapcsolódó iparágakban.
Az alábbiakban az XKH által gyártott szilícium-karbid kerámia eszközöket láthatjuk.
Közzététel ideje: 2025. július 30.