Kiselkarbid (SiC) är en anmärkningsvärd förening som kan hittas både i halvledarindustrin och i avancerade keramiska produkter. Detta leder ofta till förvirring bland lekmän som kan missta dem som samma typ av produkt. I verkligheten, även om de delar identisk kemisk sammansättning, manifesterar sig SiC antingen som slitstark avancerad keramik eller högeffektiva halvledare, och spelar helt olika roller i industriella tillämpningar. Det finns betydande skillnader mellan keramiska och halvledarkvalitets SiC-material vad gäller kristallstruktur, tillverkningsprocesser, prestandaegenskaper och tillämpningsområden.
- Avvikande renhetskrav för råvaror
Keramisk SiC har relativt milda renhetskrav för sitt pulverråvara. Vanligtvis kan kommersiella produkter med 90–98 % renhet uppfylla de flesta applikationsbehov, även om högpresterande strukturkeramik kan kräva 98–99,5 % renhet (t.ex. reaktionsbunden SiC kräver kontrollerad halt av fritt kisel). Den tolererar vissa föroreningar och innehåller ibland avsiktligt sintringshjälpmedel som aluminiumoxid (Al₂O₃) eller yttriumoxid (Y₂O₃) för att förbättra sintringsprestanda, sänka sintringstemperaturer och öka slutproduktens densitet.
Halvledarkvalitet SiC kräver nästan perfekta renhetsnivåer. Substratkvalitet enkristall SiC kräver ≥99,9999 % (6 N) renhet, medan vissa avancerade tillämpningar behöver 7 N (99,99999 %) renhet. Epitaxiella lager måste bibehålla föroreningskoncentrationer under 10¹⁶ atomer/cm³ (särskilt för att undvika djupgående föroreningar som B, Al och V). Även spårföroreningar som järn (Fe), aluminium (Al) eller bor (B) kan allvarligt påverka de elektriska egenskaperna genom att orsaka spridning av bärarsignaler, minska genomslagsfältets styrka och i slutändan äventyra enhetens prestanda och tillförlitlighet, vilket kräver strikt föroreningskontroll.
Halvledarmaterial i kiselkarbid
- Distinkta kristallstrukturer och kvalitet
Keramisk SiC existerar huvudsakligen som polykristallint pulver eller sintrade kroppar bestående av ett flertal slumpmässigt orienterade SiC-mikrokristaller. Materialet kan innehålla flera polytyper (t.ex. α-SiC, β-SiC) utan strikt kontroll över specifika polytyper, med betoning istället på övergripande materialdensitet och enhetlighet. Dess interna struktur har rikliga korngränser och mikroskopiska porer, och kan innehålla sintringshjälpmedel (t.ex. Al₂O₃, Y₂O₃).
Halvledarkvalitets-SiC måste vara enkristallsubstrat eller epitaxiella lager med mycket ordnade kristallstrukturer. Det kräver specifika polytyper som erhålls genom precisionskristalltillväxttekniker (t.ex. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektriska egenskaper som elektronmobilitet och bandgap är extremt känsliga för polytypval, vilket kräver strikt kontroll. För närvarande dominerar 4H-SiC marknaden på grund av dess överlägsna elektriska egenskaper, inklusive hög bärvågsmobilitet och genombrottsfältstyrka, vilket gör den idealisk för kraftkomponenter.
- Jämförelse av processkomplexitet
Keramisk SiC använder relativt enkla tillverkningsprocesser (pulverberedning → formning → sintring), analogt med "tegeltillverkning". Processen innefattar:
- Blandning av kommersiellt SiC-pulver (vanligtvis mikronstort) med bindemedel
- Formning via pressning
- Högtemperatursintring (1600–2200 °C) för att uppnå förtätning genom partikeldiffusion
De flesta tillämpningar kan uppfyllas med en densitet på >90 %. Hela processen kräver inte exakt kontroll av kristalltillväxten, utan fokuserar istället på formnings- och sintringskonsistens. Fördelarna inkluderar processflexibilitet för komplexa former, dock med relativt lägre renhetskrav.
Halvledarkvalitets-SiC involverar betydligt mer komplexa processer (högrenhetspulverberedning → tillväxt av enkristallsubstrat → epitaxiell waferdeponering → tillverkning av komponenter). Viktiga steg inkluderar:
- Substratberedning huvudsakligen via fysikalisk ångtransport (PVT)
- Sublimering av SiC-pulver under extrema förhållanden (2200-2400 °C, högvakuum)
- Exakt kontroll av temperaturgradienter (±1 °C) och tryckparametrar
- Epitaxiell lagertillväxt via kemisk ångavsättning (CVD) för att skapa jämnt tjocka, dopade lager (vanligtvis flera till tiotals mikron)
Hela processen kräver ultrarena miljöer (t.ex. renrum i klass 10) för att förhindra kontaminering. Egenskaperna inkluderar extrem processprecision, vilket kräver kontroll över termiska fält och gasflödeshastigheter, med stränga krav på både råmaterialrenhet (>99,9999 %) och utrustningens sofistikering.
- Betydande kostnadsskillnader och marknadsinriktningar
Egenskaper för keramisk SiC:
- Råmaterial: Pulver av kommersiell kvalitet
- Relativt enkla processer
- Låg kostnad: Tusentals till tiotusentals RMB per ton
- Breda tillämpningar: Slipmedel, eldfasta material och andra kostnadskänsliga industrier
Egenskaper för halvledarkvalitets SiC:
- Långa tillväxtcykler för substrat
- Utmanande felkontroll
- Låga avkastningsgrader
- Hög kostnad: Tusentals USD per 6-tums substrat
- Fokuserade marknader: Högpresterande elektronik som kraftenheter och RF-komponenter
Med den snabba utvecklingen av nya energifordon och 5G-kommunikation växer marknadens efterfrågan exponentiellt.
- Differentierade applikationsscenarier
Keramisk SiC fungerar som den "industriella arbetshästen" främst för strukturella tillämpningar. Genom att utnyttja sina utmärkta mekaniska egenskaper (hög hårdhet, slitstyrka) och termiska egenskaper (hög temperaturbeständighet, oxidationsbeständighet) utmärker den sig inom:
- Slipmedel (slipskivor, sandpapper)
- Eldfasta material (inklädnader i högtemperaturugnar)
- Slit-/korrosionsbeständiga komponenter (pumphus, rörbeklädnader)
Strukturkomponenter i kiselkarbidkeramik
Halvledarkvalitets-SiC presterar som den "elektroniska eliten" och använder sina halvledaregenskaper med stort bandgap för att visa unika fördelar i elektroniska enheter:
- Kraftenheter: växelriktare för elbilar, nätomvandlare (förbättrar effektiviteten i kraftomvandlingen)
- RF-enheter: 5G-basstationer, radarsystem (möjliggör högre driftsfrekvenser)
- Optoelektronik: Substratmaterial för blå lysdioder
200-millimeter SiC epitaxialskiva
| Dimensionera | Keramisk SiC | SiC av halvledarkvalitet |
| Kristallstruktur | Polykristallin, flera polytyper | Enkristall, strikt utvalda polytyper |
| Processfokus | Förtätning och formkontroll | Kristallkvalitet och kontroll av elektriska egenskaper |
| Prestandaprioritet | Mekanisk hållfasthet, korrosionsbeständighet, termisk stabilitet | Elektriska egenskaper (bandgap, genombrottsfält etc.) |
| Applikationsscenarier | Strukturkomponenter, slitstarka delar, högtemperaturkomponenter | Högeffektsenheter, högfrekvensenheter, optoelektroniska enheter |
| Kostnadsdrivare | Processflexibilitet, råmaterialkostnad | Kristalltillväxthastighet, utrustningens precision, råmaterialrenhet |
Sammanfattningsvis härrör den grundläggande skillnaden från deras distinkta funktionella syften: keramisk kiseldioxid (SiC) använder "form (struktur)" medan halvledarkvalitets-SiC använder "egenskaper (elektriska)". Den förra strävar efter kostnadseffektiv mekanisk/termisk prestanda, medan den senare representerar toppen av materialberedningsteknik som högrent, enkristalligt funktionellt material. Även om de delar samma kemiska ursprung uppvisar keramisk och halvledarkvalitets-SiC tydliga skillnader i renhet, kristallstruktur och tillverkningsprocesser – men båda bidrar betydande till industriell produktion och tekniska framsteg inom sina respektive områden.
XKH är ett högteknologiskt företag som specialiserar sig på forskning och utveckling samt produktion av kiselkarbidmaterial (SiC). Vi erbjuder skräddarsydd utveckling, precisionsbearbetning och ytbehandling, allt från högrena SiC-keramikmaterial till SiC-kristaller av halvledarkvalitet. Genom att utnyttja avancerade bearbetningstekniker och intelligenta produktionslinjer tillhandahåller XKH SiC-produkter och lösningar med justerbar prestanda (90 %–7 N renhet) och strukturstyrd (polykristallin/enkristallin) för kunder inom halvledare, ny energi, flyg- och rymdindustrin och andra banbrytande områden. Våra produkter har omfattande tillämpningar inom halvledarutrustning, elfordon, 5G-kommunikation och relaterade industrier.
Följande är kiselkarbidkeramikkomponenter som produceras av XKH.
Publiceringstid: 30 juli 2025