Siliciumcarbid (SiC) er en bemærkelsesværdig forbindelse, der kan findes i både halvlederindustrien og i avancerede keramiske produkter. Dette fører ofte til forvirring blandt lægfolk, der kan forveksle dem med den samme type produkt. I virkeligheden manifesterer SiC sig, selvom det deler identisk kemisk sammensætning, som enten slidstærk avanceret keramik eller højeffektive halvledere, der spiller helt forskellige roller i industrielle applikationer. Der er betydelige forskelle mellem SiC-materialer af keramik- og halvlederkvalitet med hensyn til krystalstruktur, fremstillingsprocesser, ydeevneegenskaber og anvendelsesområder.
- Divergerende renhedskrav for råmaterialer
Keramisk SiC har relativt lempelige renhedskrav til sit pulverråmateriale. Typisk kan produkter af kommerciel kvalitet med en renhed på 90%-98% opfylde de fleste applikationsbehov, selvom højtydende strukturkeramik kan kræve en renhed på 98%-99,5% (f.eks. kræver reaktionsbundet SiC kontrolleret indhold af frit silicium). Det tolererer visse urenheder og inkorporerer undertiden bevidst sintringshjælpemidler som aluminiumoxid (Al₂O₃) eller yttriumoxid (Y₂O₃) for at forbedre sintringsydelsen, sænke sintringstemperaturerne og øge den endelige produktdensitet.
Halvlederkvalitet SiC kræver næsten perfekte renhedsniveauer. Substratkvalitet enkeltkrystal SiC kræver ≥99,9999% (6N) renhed, mens nogle avancerede applikationer kræver 7N (99,99999%) renhed. Epitaksiale lag skal opretholde urenhedskoncentrationer under 10¹⁶ atomer/cm³ (især undgå dybtliggende urenheder som B, Al og V). Selv spor af urenheder som jern (Fe), aluminium (Al) eller bor (B) kan have alvorlig indflydelse på de elektriske egenskaber ved at forårsage spredning af bærere, reducere gennemslagsfeltstyrken og i sidste ende kompromittere enhedens ydeevne og pålidelighed, hvilket nødvendiggør streng urenhedskontrol.
Halvledermateriale af siliciumkarbid
- Forskellige krystalstrukturer og kvalitet
Keramisk SiC findes primært som polykrystallinsk pulver eller sintrede legemer sammensat af adskillige tilfældigt orienterede SiC-mikrokrystaller. Materialet kan indeholde flere polytyper (f.eks. α-SiC, β-SiC) uden streng kontrol over specifikke polytyper, med vægt i stedet på den samlede materialedensitet og ensartethed. Dens indre struktur har rigelige korngrænser og mikroskopiske porer og kan indeholde sintringshjælpemidler (f.eks. Al₂O₃, Y₂O₃).
Halvlederkvalitets SiC skal være enkeltkrystalsubstrater eller epitaksiale lag med meget ordnede krystalstrukturer. Det kræver specifikke polytyper opnået gennem præcisionskrystalvækstteknikker (f.eks. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektriske egenskaber som elektronmobilitet og båndgab er ekstremt følsomme over for polytypevalg, hvilket nødvendiggør streng kontrol. I øjeblikket dominerer 4H-SiC markedet på grund af dets overlegne elektriske egenskaber, herunder høj bærermobilitet og gennemslagsfeltstyrke, hvilket gør det ideelt til strømforsyninger.
- Sammenligning af proceskompleksitet
Keramisk SiC anvender relativt simple fremstillingsprocesser (pulverforberedelse → formning → sintring), analogt med "murstensfremstilling". Processen involverer:
- Blanding af SiC-pulver af kommerciel kvalitet (typisk i mikronstørrelse) med bindemidler
- Formning via presning
- Højtemperatursintring (1600-2200 °C) for at opnå fortætning gennem partikeldiffusion
De fleste anvendelser kan opfyldes med en densitet på >90%. Hele processen kræver ikke præcis krystalvækstkontrol, men fokuserer i stedet på formnings- og sintringskonsistens. Fordelene omfatter procesfleksibilitet for komplekse former, dog med relativt lavere renhedskrav.
Halvlederkvalitets SiC involverer langt mere komplekse processer (fremstilling af pulver med høj renhed → vækst af enkeltkrystalsubstrat → epitaksial waferaflejring → fremstilling af komponent). Nøgletrin omfatter:
- Substratforberedelse primært via fysisk damptransport (PVT) metode
- Sublimering af SiC-pulver under ekstreme forhold (2200-2400°C, højvakuum)
- Præcis kontrol af temperaturgradienter (±1°C) og trykparametre
- Epitaksialt lagvækst via kemisk dampaflejring (CVD) for at skabe ensartet tykke, dopede lag (typisk flere til ti mikrometer)
Hele processen kræver ultrarene miljøer (f.eks. klasse 10 renrum) for at forhindre kontaminering. Karakteristikaene omfatter ekstrem procespræcision, der kræver kontrol over termiske felter og gasstrømningshastigheder, med strenge krav til både råmaterialerens renhed (>99,9999%) og udstyrets sofistikering.
- Væsentlige omkostningsforskelle og markedsorienteringer
Keramisk SiC-egenskaber:
- Råmateriale: Pulver af kommerciel kvalitet
- Relativt simple processer
- Lav pris: Tusindvis til titusindvis af RMB pr. ton
- Brede anvendelser: Slibemidler, ildfaste materialer og andre omkostningsfølsomme industrier
Funktioner i SiC i halvlederkvalitet:
- Lange substratvækstcyklusser
- Udfordrende fejlkontrol
- Lave udbytterater
- Høj pris: Tusindvis af USD pr. 6-tommer substrat
- Fokuserede markeder: Højtydende elektronik som strømforsyninger og RF-komponenter
Med den hurtige udvikling af nye energikøretøjer og 5G-kommunikation vokser markedsefterspørgslen eksponentielt.
- Differentierede applikationsscenarier
Keramisk SiC fungerer primært som den "industrielle arbejdshest" til strukturelle anvendelser. Ved at udnytte sine fremragende mekaniske egenskaber (høj hårdhed, slidstyrke) og termiske egenskaber (høj temperaturbestandighed, oxidationsbestandighed) udmærker det sig ved:
- Slibemidler (slibeskiver, sandpapir)
- Ildfaste materialer (foringer til højtemperaturovne)
- Slid-/korrosionsbestandige komponenter (pumpehuse, rørforinger)
Keramiske strukturkomponenter i siliciumcarbid
Halvlederkvalitets SiC fungerer som den "elektroniske elite" og udnytter sine halvlederegenskaber med bredt båndgab til at demonstrere unikke fordele i elektroniske enheder:
- Strømforsyninger: EV-invertere, netkonvertere (forbedring af effektomdannelseseffektiviteten)
- RF-enheder: 5G-basestationer, radarsystemer (der muliggør højere driftsfrekvenser)
- Optoelektronik: Substratmateriale til blå LED'er
200-millimeter SiC epitaksial wafer
| Dimension | Keramisk SiC | SiC i halvlederkvalitet |
| Krystalstruktur | Polykrystallinsk, flere polytyper | Enkeltkrystal, strengt udvalgte polytyper |
| Procesfokus | Fortætning og formkontrol | Krystalkvalitet og kontrol af elektriske egenskaber |
| Prioritet for ydeevne | Mekanisk styrke, korrosionsbestandighed, termisk stabilitet | Elektriske egenskaber (båndgab, gennemslagsfelt osv.) |
| Applikationsscenarier | Strukturkomponenter, slidstærke dele, højtemperaturkomponenter | Højeffektsenheder, højfrekvente enheder, optoelektroniske enheder |
| Omkostningsdrivere | Procesfleksibilitet, råvareomkostninger | Krystalvæksthastighed, udstyrspræcision, råmaterialerens renhed |
Kort sagt stammer den grundlæggende forskel fra deres forskellige funktionelle formål: SiC af keramisk kvalitet anvender "form (struktur)", mens SiC af halvlederkvalitet anvender "egenskaber (elektriske)". Førstnævnte forfølger omkostningseffektiv mekanisk/termisk ydeevne, mens sidstnævnte repræsenterer toppen af materialeforberedelsesteknologi som et funktionelt materiale med en enkelt krystal og høj renhed. Selvom de deler samme kemiske oprindelse, udviser keramisk og halvlederkvalitet SiC klare forskelle i renhed, krystalstruktur og fremstillingsprocesser – men begge yder betydelige bidrag til industriel produktion og teknologiske fremskridt inden for deres respektive områder.
XKH er en højteknologisk virksomhed, der specialiserer sig i forskning og udvikling samt produktion af siliciumcarbid (SiC)-materialer, og tilbyder skræddersyet udvikling, præcisionsbearbejdning og overfladebehandling, lige fra SiC-keramik med høj renhed til SiC-krystaller i halvlederkvalitet. Ved at udnytte avancerede præparationsteknologier og intelligente produktionslinjer leverer XKH SiC-produkter og -løsninger med justerbar ydeevne (90 % -7 N renhed) og strukturkontrollerede (polykrystallinske/enkeltkrystallinske) til kunder inden for halvleder, ny energi, luftfart og andre banebrydende områder. Vores produkter finder omfattende anvendelser inden for halvlederudstyr, elbiler, 5G-kommunikation og relaterede industrier.
Følgende er siliciumcarbid keramiske enheder produceret af XKH.
Opslagstidspunkt: 30. juli 2025