Silicijum karbidna keramika u odnosu na poluvodički silicijum karbid: isti materijal s dvije različite sudbine

1. Različiti zahtjevi za čistoću sirovina

 

SiC keramičke kvalitete ima relativno blage zahtjeve za čistoću praškaste sirovine. Tipično, proizvodi komercijalne kvalitete s čistoćom od 90%-98% mogu zadovoljiti većinu potreba primjene, iako visokoučinkovita 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 sinteriranje poput aluminijevog oksida (Al₂O₃) ili itrijevog oksida (Y₂O₃) kako bi se poboljšale performanse sinteriranja, snizile temperature sinteriranja i povećala gustoća konačnog proizvoda.

 

Poluvodički SiC zahtijeva gotovo savršenu razinu čistoće. Monokristalni SiC podloge 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 duboke razine 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 jakost probojnog polja i u konačnici ugrožavajući performanse i pouzdanost uređaja, što zahtijeva strogu kontrolu nečistoća.

 

Poluvodički materijal od silicijevog karbida

 

2. Različite kristalne strukture i kvaliteta

 

SiC keramičke kvalitete prvenstveno postoji kao polikristalni prah ili sinterirana tijela sastavljena od brojnih nasumično orijentiranih 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 unutarnja struktura ima obilne granice zrna i mikroskopske pore, a može sadržavati i pomoćna sredstva za sinteriranje (npr. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Poluvodički SiC mora biti monokristalna podloga ili epitaksijalni sloj 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 razmaka 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 jakost probojnog polja, što ga čini idealnim za energetske uređaje.

 

3. Usporedba složenosti procesa

 

SiC keramičke kvalitete koristi relativno jednostavne proizvodne procese (priprema praha → oblikovanje → sinteriranje), analogno "izradi opeke". Proces uključuje:

 

• Miješanje SiC praha komercijalne kvalitete (obično mikronske veličine) s vezivima
• Oblikovanje putem prešanja
• Sinteriranje na visokim temperaturama (1600-2200 °C) za postizanje zgušnjavanja difuzijom čestica
  Većina primjena može se zadovoljiti s gustoćom >90%. Cijeli proces ne zahtijeva preciznu kontrolu rasta kristala, već se usredotočuje na konzistentnost oblikovanja i sinteriranja. Prednosti uključuju fleksibilnost procesa za složene oblike, iako s relativno nižim zahtjevima za čistoću.

 

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

 

• Priprema podloge prvenstveno metodom fizičkog transporta pare (PVT)
• Sublimacija SiC praha u ekstremnim uvjetima (2200-2400°C, visoki vakuum)
• Precizna kontrola temperaturnih gradijenta (±1°C) i parametara tlaka
• Rast epitaksijalnog sloja kemijskim taloženjem iz pare (CVD) za stvaranje jednoliko debelih, dopiranih slojeva (obično od nekoliko do desetaka mikrona)
  Cijeli proces zahtijeva ultra čiste okoline (npr. čiste sobe klase 10) kako bi se spriječila kontaminacija. Karakteristike uključuju ekstremnu preciznost procesa, što zahtijeva kontrolu nad toplinskim 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 keramičke kvalitete:

• Sirovina: Prah komercijalne kvalitete
• Relativno jednostavni procesi
• Niska cijena: Tisuće do desetke tisuća RMB po toni
• Široka primjena: Abrazivi, vatrostalni materijali i druge industrije osjetljive na troškove

 

Karakteristike SiC poluvodičke kvalitete:

• Dugi ciklusi rasta supstrata
• Izazovna kontrola nedostataka
• Niske stope prinosa
• Visoka cijena: Tisuće USD po podlozi od 6 inča
• Fokusirana tržišta: Visokoučinkovita 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 keramičke kvalitete služi kao "industrijski radni konj" prvenstveno za konstrukcijske primjene. Zahvaljujući svojim izvrsnim mehaničkim svojstvima (visoka tvrdoća, otpornost na habanje) i toplinskim svojstvima (otpornost na visoke temperature, otpornost na oksidaciju), ističe se u:

 

• Abrazivi (brusne ploče, brusni papir)
• Vatrostalni materijali (obloge peći za visoke temperature)
• Komponente otporne na habanje/koroziju (tijela pumpi, obloge cijevi)

 

Keramičke strukturne komponente silicij-karbida

 

SiC poluvodičke kvalitete predstavlja "elektroničku elitu", koristeći svoja poluvodička svojstva širokog energetskog razmaka kako bi demonstrirao jedinstvene prednosti u elektroničkim uređajima:

 

• Uređaji za napajanje: pretvarači za električna vozila, mrežni pretvarači (poboljšanje učinkovitosti pretvorbe energije)
• RF uređaji: 5G bazne stanice, radarski sustavi (koji omogućuju više radne frekvencije)
• Optoelektronika: Materijal za supstrat plavih LED dioda

 

200-milimetarska SiC epitaksijalna pločica

 

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

 

Ukratko, temeljna razlika proizlazi iz njihovih različitih funkcionalnih namjena: keramički SiC koristi „oblik (strukturu)“, dok poluvodički 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 kemijsko podrijetlo, keramički i poluvodički SiC pokazuju jasne razlike u čistoći, kristalnoj strukturi i proizvodnim procesima - no oba značajno doprinose industrijskoj proizvodnji i tehnološkom napretku u svojim područjima.