Keramika z karbidu kremíka vs. polovodičový karbid kremíka: ten istý materiál s dvoma odlišnými osudmi

1. Rozdielne požiadavky na čistotu surovín

 

SiC keramickej kvality má relatívne nízke požiadavky na čistotu práškového vstupného materiálu. Produkty komerčnej kvality s čistotou 90 % – 98 % zvyčajne dokážu splniť väčšinu aplikačných potrieb, hoci vysokovýkonná štrukturálna keramika môže vyžadovať čistotu 98 % – 99,5 % (napr. reakčne viazaný SiC vyžaduje kontrolovaný obsah voľného kremíka). Toleruje určité nečistoty a niekedy zámerne obsahuje pomocné látky na spekanie, ako je oxid hlinitý (Al₂O₃) alebo oxid ytritý (Y₂O₃), aby sa zlepšil výkon spekania, znížili teploty spekania a zvýšila hustota konečného produktu.

 

Polovodičový SiC vyžaduje takmer dokonalú úroveň čistoty. Monokryštálový SiC substrátovej kvality vyžaduje čistotu ≥99,9999 % (6N), pričom niektoré špičkové aplikácie vyžadujú čistotu 7N (99,99999 %). Epitaxné vrstvy musia udržiavať koncentráciu nečistôt pod 10¹⁶ atómov/cm³ (najmä sa musia vyhnúť hlboko umiestneným nečistotám, ako sú B, Al a V). Dokonca aj stopové nečistoty, ako je železo (Fe), hliník (Al) alebo bór (B), môžu vážne ovplyvniť elektrické vlastnosti spôsobením rozptylu nosičov náboja, znížením sily prierazného poľa a v konečnom dôsledku ohrozením výkonu a spoľahlivosti zariadenia, čo si vyžaduje prísnu kontrolu nečistôt.

 

Polovodičový materiál z karbidu kremíka

 

2. Výrazné kryštálové štruktúry a kvalita

 

SiC keramickej kvality existuje predovšetkým ako polykryštalický prášok alebo spekané telesá zložené z mnohých náhodne orientovaných mikrokryštálov SiC. Materiál môže obsahovať viacero polytypov (napr. α-SiC, β-SiC) bez prísnej kontroly nad špecifickými polytypmi, s dôrazom na celkovú hustotu a rovnomernosť materiálu. Jeho vnútorná štruktúra sa vyznačuje bohatými hranicami zŕn a mikroskopickými pórmi a môže obsahovať spekacie látky (napr. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Polovodičový SiC musí byť monokryštálový substrát alebo epitaxná vrstva s vysoko usporiadanými kryštálovými štruktúrami. Vyžaduje si špecifické polytypy získané pomocou presných techník rastu kryštálov (napr. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektrické vlastnosti, ako je mobilita elektrónov a šírka zakázaného pásma, sú mimoriadne citlivé na výber polytypu, čo si vyžaduje prísnu kontrolu. V súčasnosti 4H-SiC dominuje na trhu vďaka svojim vynikajúcim elektrickým vlastnostiam vrátane vysokej mobility nosičov náboja a sily prierazného poľa, vďaka čomu je ideálny pre výkonové zariadenia.

 

3. Porovnanie zložitosti procesov

 

SiC keramickej kvality využíva relatívne jednoduché výrobné procesy (príprava prášku → tvarovanie → spekanie), analogické s „výrobou tehál“. Proces zahŕňa:

 

• Miešanie prášku SiC komerčnej kvality (zvyčajne mikrónovej veľkosti) so spojivami
• Tvarovanie lisovaním
• Vysokoteplotné spekanie (1600 – 2200 °C) na dosiahnutie zhutnenia difúziou častíc
  Väčšina aplikácií môže byť spokojná s hustotou > 90 %. Celý proces nevyžaduje presnú kontrolu rastu kryštálov, namiesto toho sa zameriava na konzistenciu tvarovania a spekania. Medzi výhody patrí flexibilita procesu pre zložité tvary, hoci s relatívne nižšími požiadavkami na čistotu.

 

Polovodičový SiC zahŕňa oveľa zložitejšie procesy (príprava vysoko čistého prášku → rast monokryštálového substrátu → epitaxné nanášanie doštičky → výroba zariadenia). Medzi kľúčové kroky patria:

 

• Príprava substrátu primárne metódou fyzikálneho transportu pár (PVT)
• Sublimácia prášku SiC v extrémnych podmienkach (2200 – 2400 °C, vysoké vákuum)
• Presná regulácia teplotných gradientov (±1 °C) a tlakových parametrov
• Rast epitaxnej vrstvy pomocou chemickej depozície z pár (CVD) na vytvorenie rovnomerne hrubých, dopovaných vrstiev (zvyčajne niekoľko až desiatok mikrónov)
  Celý proces vyžaduje ultra čisté prostredie (napr. čisté priestory triedy 10), aby sa zabránilo kontaminácii. Medzi charakteristiky patrí extrémna presnosť procesu, ktorá vyžaduje kontrolu nad tepelnými poľami a prietokmi plynu, s prísnymi požiadavkami na čistotu surovín (> 99,9999 %) a sofistikovanosť zariadení.

 

4. Významné rozdiely v nákladoch a trhové orientácie

 

Vlastnosti SiC keramickej kvality:

• Surovina: Prášok komerčnej kvality
• Relatívne jednoduché procesy
• Nízke náklady: Tisíce až desaťtisíce RMB za tonu
• Široké využitie: Abrazíva, žiaruvzdorné materiály a iné odvetvia citlivé na náklady

 

Vlastnosti SiC polovodičovej triedy:

• Dlhé cykly rastu substrátu
• Náročná kontrola defektov
• Nízke výnosy
• Vysoká cena: Tisíce USD za 6-palcový substrát
• Zamerané trhy: Vysokovýkonná elektronika, ako sú výkonové zariadenia a RF komponenty
  S rýchlym rozvojom vozidiel na novú energiu a 5G komunikácií rastie dopyt na trhu exponenciálne.

 

5. Diferencované aplikačné scenáre

 

SiC keramickej kvality slúži ako „priemyselný ťažný kôň“ predovšetkým pre konštrukčné aplikácie. Vďaka svojim vynikajúcim mechanickým vlastnostiam (vysoká tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu) a tepelným vlastnostiam (odolnosť voči vysokým teplotám, odolnosť proti oxidácii) vyniká v:

 

• Abrazíva (brúsne kotúče, brúsny papier)
• Žiaruvzdorné materiály (vysokoteplotné výmurovky pecí)
• Komponenty odolné voči opotrebovaniu/korózii (teleso čerpadiel, výstelky potrubí)

 

Keramické konštrukčné komponenty z karbidu kremíka

 

Polovodičový SiC sa javí ako „elektronická elita“ a využíva svoje polovodičové vlastnosti so širokým zakázaným pásmom na demonštráciu jedinečných výhod v elektronických zariadeniach:

 

• Napájacie zariadenia: meniče pre elektromobily, sieťové meniče (zlepšenie účinnosti premeny energie)
• RF zariadenia: základňové stanice 5G, radarové systémy (umožňujúce vyššie prevádzkové frekvencie)
• Optoelektronika: Substrátový materiál pre modré LED diódy

 

200-milimetrový epitaxný plátok SiC

 

Rozmer	SiC keramickej kvality	SiC polovodičovej triedy
Kryštálová štruktúra	Polykryštalický, viacero polytypov	Monokryštál, prísne vybrané polytypy
Zameranie na proces	Zhutňovanie a kontrola tvaru	Kontrola kvality kryštálov a elektrických vlastností
Priorita výkonu	Mechanická pevnosť, odolnosť proti korózii, tepelná stabilita	Elektrické vlastnosti (zakázané pásmo, prierazné pole atď.)
Scenáre aplikácií	Konštrukčné komponenty, diely odolné voči opotrebovaniu, komponenty odolné voči vysokým teplotám	Vysokovýkonné zariadenia, vysokofrekvenčné zariadenia, optoelektronické zariadenia
Hnacie sily nákladov	Flexibilita procesu, náklady na suroviny	Rýchlosť rastu kryštálov, presnosť zariadenia, čistota suroviny

 

Stručne povedané, zásadný rozdiel pramení z ich odlišných funkčných účelov: SiC keramickej kvality využíva „formu (štruktúru)“, zatiaľ čo SiC polovodičovej kvality využíva „vlastnosti (elektrické)“. Prvý z nich sa zameriava na nákladovo efektívny mechanický/tepelný výkon, zatiaľ čo druhý predstavuje vrchol technológie prípravy materiálov ako vysoko čistý, monokryštálový funkčný materiál. Hoci majú rovnaký chemický pôvod, SiC keramickej a polovodičovej kvality vykazujú jasné rozdiely v čistote, kryštálovej štruktúre a výrobných procesoch – napriek tomu oba významne prispievajú k priemyselnej výrobe a technologickému pokroku vo svojich príslušných oblastiach.