Silicijum karbidna keramika u odnosu na poluprovodnički silicijum karbid: Isti materijal sa dvije različite sudbine

1. Različiti zahtjevi za čistoću sirovina

 

SiC keramičkog kvaliteta ima relativno blage zahtjeve za čistoću svog praškastog ulaznog materijala. Tipično, proizvodi komercijalnog kvaliteta sa čistoćom od 90%-98% mogu zadovoljiti većinu potreba primjene, iako visokoperformansna strukturna keramika može zahtijevati čistoću od 98%-99,5% (npr. reakcijski vezani SiC zahtijeva kontrolirani sadržaj slobodnog silicija). Tolerira određene nečistoće i ponekad namjerno uključuje pomoćna sredstva za sinterovanje poput aluminijum oksida (Al₂O₃) ili itrijum oksida (Y₂O₃) kako bi se poboljšale performanse sinterovanja, snizile temperature sinterovanja i povećala gustina konačnog proizvoda.

 

SiC poluprovodničkog kvaliteta zahtijeva gotovo savršen nivo čistoće. Monokristalni SiC supstratnog kvaliteta zahtijeva čistoću ≥99,9999% (6N), dok neke visokokvalitetne primjene zahtijevaju čistoću od 7N (99,99999%). Epitaksijalni slojevi moraju održavati koncentracije nečistoća ispod 10¹⁶ atoma/cm³ (posebno izbjegavajući nečistoće dubokog nivoa poput B, Al i V). Čak i tragovi nečistoća poput željeza (Fe), aluminija (Al) ili bora (B) mogu ozbiljno utjecati na električna svojstva uzrokujući raspršenje nosioca, smanjujući jačinu probojnog polja i na kraju ugrožavajući performanse i pouzdanost uređaja, što zahtijeva strogu kontrolu nečistoća.

 

Silicijum-karbidni poluprovodnički materijal

 

2. Različite kristalne strukture i kvalitet

 

SiC keramičkog kvaliteta prvenstveno postoji kao polikristalni prah ili sinterovana tijela sastavljena od brojnih nasumično orijentisanih SiC mikrokristala. Materijal može sadržavati više politipova (npr. α-SiC, β-SiC) bez stroge kontrole nad specifičnim politipovima, s naglaskom na ukupnoj gustoći i ujednačenosti materijala. Njegova unutrašnja struktura karakteriziraju obilne granice zrna i mikroskopske pore, a može sadržavati i pomoćna sredstva za sinterovanje (npr. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Poluprovodnički SiC mora biti monokristalna podloga ili epitaksijalni slojevi s visoko uređenim kristalnim strukturama. Zahtijeva specifične politipove dobivene preciznim tehnikama rasta kristala (npr. 4H-SiC, 6H-SiC). Električna svojstva poput pokretljivosti elektrona i energetskog procjepa izuzetno su osjetljiva na odabir politipa, što zahtijeva strogu kontrolu. Trenutno, 4H-SiC dominira tržištem zbog svojih superiornih električnih svojstava, uključujući visoku pokretljivost nosioca i jačinu probojnog polja, što ga čini idealnim za energetske uređaje.

 

3. Poređenje složenosti procesa

 

SiC keramičkog kvaliteta koristi relativno jednostavne proizvodne procese (priprema praha → oblikovanje → sinterovanje), analogno "pravljenju cigle". Proces uključuje:

 

• Miješanje SiC praha komercijalnog kvaliteta (obično mikronske veličine) sa vezivnim sredstvima
• Oblikovanje putem presovanja
• Sinterovanje na visokim temperaturama (1600-2200°C) za postizanje zgušnjavanja putem difuzije čestica
  Većina primjena može se zadovoljiti gustoćom većom od 90%. Cijeli proces ne zahtijeva preciznu kontrolu rasta kristala, već se umjesto toga fokusira na konzistentnost oblikovanja i sinteriranja. Prednosti uključuju fleksibilnost procesa za složene oblike, iako s relativno nižim zahtjevima za čistoću.

 

SiC poluprovodničkog kvaliteta uključuje daleko složenije procese (priprema praha visoke čistoće → rast monokristalne podloge → epitaksijalno taloženje pločice → izrada uređaja). Ključni koraci uključuju:

 

• Priprema podloge prvenstveno putem metode fizičkog transporta pare (PVT)
• Sublimacija SiC praha u ekstremnim uslovima (2200-2400°C, visoki vakuum)
• Precizna kontrola temperaturnih gradijenta (±1°C) i parametara pritiska
• Rast epitaksijalnog sloja putem hemijskog taloženja iz pare (CVD) za stvaranje jednoliko debelih, dopiranih slojeva (obično od nekoliko do desetina mikrona)
  Cijeli proces zahtijeva ultra čista okruženja (npr. čiste sobe klase 10) kako bi se spriječila kontaminacija. Karakteristike uključuju ekstremnu preciznost procesa, što zahtijeva kontrolu nad termalnim poljima i protokom plina, sa strogim zahtjevima za čistoću sirovine (>99,9999%) i sofisticiranost opreme.

 

4. Značajne razlike u troškovima i tržišne orijentacije

 

Karakteristike SiC keramičkog kvaliteta:

• Sirovina: Prah komercijalnog kvaliteta
• Relativno jednostavni procesi
• Niska cijena: Hiljade do desetine hiljada RMB po toni
• Široka primjena: Abrazivi, vatrostalni materijali i druge industrije osjetljive na troškove

 

Karakteristike SiC poluprovodničkog kvaliteta:

• Dugi ciklusi rasta supstrata
• Izazovna kontrola defekata
• Niske stope prinosa
• Visoka cijena: Hiljade američkih dolara po podlozi od 6 inča
• Fokusirana tržišta: Visokoperformansna elektronika poput energetskih uređaja i RF komponenti
  S brzim razvojem vozila na nove izvore energije i 5G komunikacija, potražnja na tržištu raste eksponencijalno.

 

5. Diferencirani scenariji primjene

 

SiC keramičkog kvaliteta služi kao "industrijski radni konj" prvenstveno za strukturne primjene. Koristeći svoja odlična mehanička svojstva (visoka tvrdoća, otpornost na habanje) i termička svojstva (otpornost na visoke temperature, otpornost na oksidaciju), ističe se u:

 

• Abrazivni materijali (brusne ploče, brusni papir)
• Vatrostalni materijali (obloge peći na visokim temperaturama)
• Komponente otporne na habanje/korozivu (tijela pumpi, obloge cijevi)

 

Keramičke strukturne komponente od silicijum-karbida

 

SiC poluprovodničkog kvaliteta predstavlja "elektronsku elitu", koristeći svoja poluprovodnička svojstva sa širokim energetskim procepom kako bi demonstrirao jedinstvene prednosti u elektronskim uređajima:

 

• Uređaji za napajanje: inverteri za električna vozila, mrežni pretvarači (poboljšanje efikasnosti konverzije energije)
• RF uređaji: 5G bazne stanice, radarski sistemi (koji omogućavaju više radne frekvencije)
• Optoelektronika: Materijal supstrata za plave LED diode

 

200-milimetarska SiC epitaksijalna pločica

 

Dimenzija	SiC keramičkog kvaliteta	SiC poluprovodničkog kvaliteta
Kristalna struktura	Polikristalni, višestruki politipovi	Monokristal, strogo odabrani politipovi
Fokus procesa	Zgušnjavanje i kontrola oblika	Kontrola kvaliteta kristala i električnih svojstava
Prioritet performansi	Mehanička čvrstoća, otpornost na koroziju, termička stabilnost	Električna svojstva (širina zabranjene zone, probojno polje itd.)
Scenariji primjene	Strukturne komponente, dijelovi otporni na habanje, komponente otporne na visoke temperature	Uređaji velike snage, visokofrekventni uređaji, optoelektronski uređaji
Troškovi	Fleksibilnost procesa, troškovi sirovina	Brzina rasta kristala, preciznost opreme, čistoća sirovine

 

Ukratko, fundamentalna razlika proizilazi iz njihovih različitih funkcionalnih namjena: keramički SiC koristi „oblik (strukturu)“, dok poluprovodnički SiC koristi „svojstva (električna)“. Prvi teži isplativim mehaničkim/termičkim performansama, dok drugi predstavlja vrhunac tehnologije pripreme materijala kao visokočisti, monokristalni funkcionalni materijal. Iako dijele isto hemijsko porijeklo, keramički i poluprovodnički SiC pokazuju jasne razlike u čistoći, kristalnoj strukturi i proizvodnim procesima - ipak oba značajno doprinose industrijskoj proizvodnji i tehnološkom napretku u svojim odgovarajućim domenima.