Węglik krzemu (SiC) to niezwykły związek chemiczny, który można znaleźć zarówno w przemyśle półprzewodnikowym, jak i w zaawansowanych produktach ceramicznych. Często prowadzi to do nieporozumień wśród laików, którzy mogą je mylić z tym samym rodzajem produktu. W rzeczywistości, mimo identycznego składu chemicznego, SiC występuje jako odporna na zużycie zaawansowana ceramika lub wysokowydajne półprzewodniki, odgrywając zupełnie inne role w zastosowaniach przemysłowych. Istnieją istotne różnice między materiałami SiC klasy ceramicznej i półprzewodnikowej pod względem struktury krystalicznej, procesów produkcyjnych, właściwości użytkowych i obszarów zastosowań.
- Rozbieżne wymagania dotyczące czystości surowców
SiC klasy ceramicznej ma stosunkowo niskie wymagania dotyczące czystości dla wsadu proszkowego. Zazwyczaj produkty klasy komercyjnej o czystości 90–98% spełniają wymagania większości zastosowań, chociaż wysokowydajna ceramika konstrukcyjna może wymagać czystości 98–99,5% (np. SiC wiązany reakcyjnie wymaga kontrolowanej zawartości wolnego krzemu). Toleruje on pewne zanieczyszczenia, a czasami celowo zawiera środki wspomagające spiekanie, takie jak tlenek glinu (Al₂O₃) lub tlenek itru (Y₂O₃), aby poprawić wydajność spiekania, obniżyć temperaturę spiekania i zwiększyć gęstość produktu końcowego.
SiC klasy półprzewodnikowej wymaga niemal idealnego poziomu czystości. Monokrystaliczny SiC klasy podłoża wymaga czystości ≥99,9999% (6N), a niektóre zaawansowane zastosowania wymagają czystości 7N (99,99999%). Warstwy epitaksjalne muszą utrzymywać stężenie zanieczyszczeń poniżej 10¹⁶ atomów/cm³ (w szczególności unikać zanieczyszczeń głęboko osadzonych, takich jak B, Al i V). Nawet śladowe zanieczyszczenia, takie jak żelazo (Fe), glin (Al) lub bor (B), mogą poważnie wpływać na właściwości elektryczne, powodując rozpraszanie nośników, zmniejszając natężenie pola przebicia i ostatecznie obniżając wydajność i niezawodność urządzenia, co wymaga ścisłej kontroli zanieczyszczeń.
Materiał półprzewodnikowy z węglika krzemu
- Wyjątkowe struktury krystaliczne i jakość
SiC klasy ceramicznej występuje głównie w postaci proszku polikrystalicznego lub spieków złożonych z licznych, losowo zorientowanych mikrokryształów SiC. Materiał może zawierać wiele politypów (np. α-SiC, β-SiC) bez ścisłej kontroli nad konkretnymi politypami, kładąc nacisk na ogólną gęstość i jednorodność materiału. Jego struktura wewnętrzna charakteryzuje się licznymi granicami ziaren i mikroskopijnymi porami, a także może zawierać substancje wspomagające spiekanie (np. Al₂O₃, Y₂O₃).
SiC klasy półprzewodnikowej musi być podłożem monokrystalicznym lub warstwami epitaksjalnymi o wysoce uporządkowanej strukturze krystalicznej. Wymaga to specyficznych politypów uzyskanych za pomocą precyzyjnych technik wzrostu kryształów (np. 4H-SiC, 6H-SiC). Właściwości elektryczne, takie jak ruchliwość elektronów i przerwa energetyczna, są niezwykle wrażliwe na wybór politypów, co wymaga ścisłej kontroli. Obecnie 4H-SiC dominuje na rynku ze względu na swoje doskonałe właściwości elektryczne, w tym wysoką ruchliwość nośników i wytrzymałość pola przebicia, co czyni go idealnym materiałem do urządzeń mocy.
- Porównanie złożoności procesów
Produkcja SiC klasy ceramicznej odbywa się w stosunkowo prostych procesach (przygotowanie proszku → formowanie → spiekanie), analogicznych do procesu „wyrobu cegieł”. Proces obejmuje:
- Mieszanie proszku SiC klasy komercyjnej (zwykle o wielkości mikronów) ze spoiwami
- Formowanie poprzez prasowanie
- Spiekanie w wysokiej temperaturze (1600-2200°C) w celu uzyskania zagęszczenia poprzez dyfuzję cząstek
Większość zastosowań można zrealizować przy gęstości >90%. Cały proces nie wymaga precyzyjnej kontroli wzrostu kryształów, a koncentruje się na formowaniu i spójnym spiekaniu. Zalety obejmują elastyczność procesu dla złożonych kształtów, przy stosunkowo niższych wymaganiach dotyczących czystości.
SiC klasy półprzewodnikowej wymaga znacznie bardziej złożonych procesów (przygotowanie proszku o wysokiej czystości → wzrost monokrystalicznego podłoża → epitaksjalne osadzanie płytek → wytwarzanie urządzeń). Kluczowe etapy obejmują:
- Przygotowanie substratu głównie metodą fizycznego transportu z fazy gazowej (PVT)
- Sublimacja proszku SiC w ekstremalnych warunkach (2200-2400°C, wysoka próżnia)
- Precyzyjna kontrola gradientów temperatury (±1°C) i parametrów ciśnienia
- Wzrost warstwy epitaksjalnej poprzez osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) w celu uzyskania jednorodnych, grubych warstw domieszkowanych (zwykle o grubości od kilku do kilkudziesięciu mikronów)
Cały proces wymaga ultraczystych środowisk (np. pomieszczeń czystych klasy 10), aby zapobiec zanieczyszczeniom. Charakteryzuje się on wyjątkową precyzją procesu, wymagającą kontroli pól termicznych i natężenia przepływu gazu, a także rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi czystości surowców (>99,9999%) i zaawansowania sprzętu.
- Istotne różnice w kosztach i orientacjach rynkowych
Cechy SiC klasy ceramicznej:
- Surowiec: Proszek o jakości handlowej
- Stosunkowo proste procesy
- Niski koszt: od tysięcy do dziesiątek tysięcy RMB za tonę
- Szerokie zastosowanie: materiały ścierne, materiały ogniotrwałe i inne gałęzie przemysłu wrażliwe na koszty
Cechy SiC klasy półprzewodnikowej:
- Długie cykle wzrostu podłoża
- Trudna kontrola defektów
- Niskie stopy zwrotu
- Wysoki koszt: tysiące dolarów za 6-calowe podłoże
- Skoncentrowane rynki: Wysokowydajna elektronika, np. urządzenia mocy i komponenty RF
Dzięki szybkiemu rozwojowi pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii i komunikacji 5G popyt na rynku rośnie wykładniczo.
- Zróżnicowane scenariusze zastosowań
SiC klasy ceramicznej pełni rolę „konia roboczego” w przemyśle, głównie w zastosowaniach konstrukcyjnych. Wykorzystując swoje doskonałe właściwości mechaniczne (wysoka twardość, odporność na zużycie) i termiczne (odporność na wysoką temperaturę, odporność na utlenianie), wyróżnia się w:
- Materiały ścierne (ściernice, papier ścierny)
- Materiały ogniotrwałe (wykładziny pieców wysokotemperaturowych)
- Elementy odporne na zużycie/korozję (korpusy pomp, wykładziny rurociągów)
Elementy konstrukcyjne z ceramiki węglika krzemu
SiC klasy półprzewodnikowej sprawdza się jako „elektroniczna elita”, wykorzystując właściwości półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej do wykazania się wyjątkowymi zaletami w urządzeniach elektronicznych:
- Urządzenia zasilające: falowniki pojazdów elektrycznych, konwertery sieciowe (poprawa wydajności konwersji energii)
- Urządzenia RF: stacje bazowe 5G, systemy radarowe (umożliwiające wyższe częstotliwości pracy)
- Optoelektronika: Materiał podłoża dla niebieskich diod LED
200-milimetrowa płytka epitaksjalna SiC
| Wymiar | SiC klasy ceramicznej | SiC klasy półprzewodnikowej |
| Struktura kryształu | Polikrystaliczny, wielokrotne politypy | Monokryształ, ściśle wyselekcjonowane politypy |
| Skupienie na procesie | Zagęszczanie i kontrola kształtu | Kontrola jakości kryształu i właściwości elektrycznych |
| Priorytet wydajności | Wytrzymałość mechaniczna, odporność na korozję, stabilność termiczna | Właściwości elektryczne (przerwa pasmowa, pole przebicia itp.) |
| Scenariusze zastosowań | Elementy konstrukcyjne, części odporne na zużycie, elementy wysokotemperaturowe | Urządzenia dużej mocy, urządzenia wysokiej częstotliwości, urządzenia optoelektroniczne |
| Czynniki wpływające na koszty | Elastyczność procesu, koszt surowca | Szybkość wzrostu kryształów, precyzja sprzętu, czystość surowca |
Podsumowując, fundamentalna różnica wynika z ich odmiennych celów funkcjonalnych: SiC klasy ceramicznej wykorzystuje „formę (strukturę)”, podczas gdy SiC klasy półprzewodnikowej wykorzystuje „właściwości (elektryczne)”. Pierwszy z nich dąży do uzyskania ekonomicznych parametrów mechanicznych i termicznych, podczas gdy drugi reprezentuje szczyt technologii przygotowania materiałów jako monokrystaliczny materiał funkcjonalny o wysokiej czystości. Pomimo tego samego pochodzenia chemicznego, SiC klasy ceramicznej i półprzewodnikowej wykazują wyraźne różnice pod względem czystości, struktury krystalicznej i procesów produkcyjnych – a jednocześnie oba wnoszą znaczący wkład w produkcję przemysłową i postęp technologiczny w swoich dziedzinach.
XKH to firma high-tech specjalizująca się w badaniach i rozwoju oraz produkcji materiałów z węglika krzemu (SiC), oferująca zindywidualizowane usługi rozwoju, precyzyjnej obróbki i obróbki powierzchni, od ceramiki SiC o wysokiej czystości po kryształy SiC klasy półprzewodnikowej. Wykorzystując zaawansowane technologie przygotowania i inteligentne linie produkcyjne, XKH dostarcza klientom z branży półprzewodników, nowych źródeł energii, lotnictwa i innych zaawansowanych technologii produkty i rozwiązania SiC o regulowanej wydajności (czystość 90%-7N) i kontrolowanej strukturze (polikrystaliczne/singlikrystaliczne). Nasze produkty znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach półprzewodnikowych, pojazdach elektrycznych, komunikacji 5G i pokrewnych branżach.
Poniżej przedstawiono urządzenia ceramiczne z węglika krzemu produkowane przez firmę XKH.
Czas publikacji: 30 lipca 2025 r.