Siliciumcarbidekeramiek versus halfgeleidersiliciumcarbide: hetzelfde materiaal met twee verschillende bestemmingen

1. Uiteenlopende zuiverheidseisen voor grondstoffen

 

SiC van keramische kwaliteit stelt relatief soepele zuiverheidseisen aan de poedergrondstof. Doorgaans voldoen commerciële producten met een zuiverheid van 90%-98% aan de meeste toepassingsbehoeften, hoewel hoogwaardige structurele keramiek een zuiverheid van 98%-99,5% kan vereisen (bijvoorbeeld reactiegebonden SiC vereist een gecontroleerd vrij siliciumgehalte). Het tolereert bepaalde onzuiverheden en soms worden er opzettelijk sinterhulpmiddelen zoals aluminiumoxide (Al₂O₃) of yttriumoxide (Y₂O₃) toegevoegd om de sinterprestaties te verbeteren, de sintertemperaturen te verlagen en de dichtheid van het eindproduct te verhogen.

 

SiC van halfgeleiderkwaliteit vereist een bijna perfecte zuiverheid. SiC van substraatkwaliteit met één kristal vereist een zuiverheid van ≥ 99,9999% (6N), terwijl sommige high-end toepassingen een zuiverheid van 7N (99,99999%) vereisen. Epitaxiale lagen moeten een onzuiverheidsconcentratie van minder dan 10¹⁶ atomen/cm³ handhaven (met name diepe onzuiverheden zoals B, Al en V moeten worden vermeden). Zelfs sporen van onzuiverheden zoals ijzer (Fe), aluminium (Al) of boor (B) kunnen de elektrische eigenschappen ernstig beïnvloeden door ladingsverstrooiing te veroorzaken, de doorslagsterkte te verminderen en uiteindelijk de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat in gevaar te brengen, waardoor strikte onzuiverheidscontrole noodzakelijk is.

 

Halfgeleidermateriaal van siliciumcarbide

 

2. Verschillende kristalstructuren en kwaliteit

 

SiC van keramische kwaliteit bestaat voornamelijk als polykristallijn poeder of gesinterde lichamen, samengesteld uit talrijke willekeurig georiënteerde SiC-microkristallen. Het materiaal kan meerdere polytypen bevatten (bijv. α-SiC, β-SiC) zonder strikte controle over specifieke polytypen, met de nadruk op de algehele materiaaldichtheid en uniformiteit. De interne structuur wordt gekenmerkt door overvloedige korrelgrenzen en microscopisch kleine poriën, en kan sinterhulpmiddelen bevatten (bijv. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

SiC van halfgeleiderkwaliteit moet bestaan uit monokristallijne substraten of epitaxiale lagen met sterk geordende kristalstructuren. Hiervoor zijn specifieke polytypen nodig die verkregen worden door middel van nauwkeurige kristalgroeitechnieken (bijv. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektrische eigenschappen zoals elektronenmobiliteit en bandgap zijn extreem gevoelig voor de polytypeselectie, wat strikte controle vereist. Momenteel domineert 4H-SiC de markt vanwege de superieure elektrische eigenschappen, waaronder een hoge ladingsdragermobiliteit en doorslagsterkte, waardoor het ideaal is voor vermogenscomponenten.

 

3. Procescomplexiteitsvergelijking

 

SiC van keramische kwaliteit maakt gebruik van relatief eenvoudige productieprocessen (poederbereiding → vormen → sinteren), vergelijkbaar met het maken van bakstenen. Het proces omvat:

 

• Het mengen van SiC-poeder van commerciële kwaliteit (meestal micron-formaat) met bindmiddelen
• Vormen door middel van persen
• Sinteren bij hoge temperatuur (1600-2200°C) om verdichting te bereiken door middel van deeltjesdiffusie
  De meeste toepassingen kunnen worden bereikt met een dichtheid van meer dan 90%. Het hele proces vereist geen nauwkeurige controle van de kristalgroei, maar richt zich in plaats daarvan op de consistentie van de vorming en het sinteren. Voordelen zijn onder andere de flexibiliteit van het proces voor complexe vormen, hoewel de zuiverheidseisen relatief lager zijn.

 

SiC van halfgeleiderkwaliteit omvat veel complexere processen (bereiding van poeder met hoge zuiverheid → groei van een monokristallijn substraat → epitaxiale waferafzetting → fabricage van het apparaat). Belangrijke stappen zijn:

 

• Substraatvoorbereiding voornamelijk via de fysische damptransportmethode (PVT)
• Sublimatie van SiC-poeder onder extreme omstandigheden (2200-2400°C, hoog vacuüm)
• Nauwkeurige regeling van temperatuurgradiënten (±1°C) en drukparameters
• Epitaxiale laaggroei via chemische dampdepositie (CVD) om gelijkmatig dikke, gedoteerde lagen te creëren (meestal enkele tot tientallen micrometers)
  Het hele proces vereist ultraschone omgevingen (bijv. cleanrooms van klasse 10) om besmetting te voorkomen. Kenmerken zijn onder andere extreme procesprecisie, beheersing van thermische velden en gasstroomsnelheden, en strenge eisen aan zowel de zuiverheid van de grondstoffen (> 99,9999%) als de geavanceerde apparatuur.

 

4. Aanzienlijke kostenverschillen en marktoriëntaties

 

Kenmerken van keramisch SiC:

• Grondstof: poeder van commerciële kwaliteit
• Relatief eenvoudige processen
• Lage kosten: duizenden tot tienduizenden RMB per ton
• Brede toepassingen: schuurmiddelen, vuurvaste materialen en andere kostengevoelige industrieën

 

Kenmerken van SiC van halfgeleiderkwaliteit:

• Lange substraatgroeicycli
• Uitdagende defectcontrole
• Lage opbrengstpercentages
• Hoge kosten: duizenden dollars per 6-inch substraat
• Gerichte markten: Hoogwaardige elektronica zoals elektrische apparaten en RF-componenten
  Door de snelle ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen en 5G-communicatie groeit de marktvraag exponentieel.

 

5. Gedifferentieerde toepassingsscenario's

 

SiC van keramische kwaliteit dient als het "industriële werkpaard", voornamelijk voor structurele toepassingen. Dankzij de uitstekende mechanische eigenschappen (hoge hardheid, slijtvastheid) en thermische eigenschappen (hoge temperatuurbestendigheid, oxidatiebestendigheid) blinkt het uit in:

 

• Schuurmiddelen (slijpschijven, schuurpapier)
• Vuurvaste materialen (bekleding van ovens met hoge temperaturen)
• Slijtage-/corrosiebestendige componenten (pomplichamen, pijpvoeringen)

 

Structurele componenten van siliciumcarbidekeramiek

 

SiC van halfgeleiderkwaliteit functioneert als de "elektronische elite" en maakt gebruik van de eigenschappen van halfgeleiders met een grote bandgap om unieke voordelen te demonstreren in elektronische apparaten:

 

• Energieverbruikende apparaten: omvormers voor elektrische voertuigen, netomvormers (verbetering van de energieomzettingsefficiëntie)
• RF-apparaten: 5G-basisstations, radarsystemen (die hogere werkfrequenties mogelijk maken)
• Opto-elektronica: substraatmateriaal voor blauwe LED's

 

200-millimeter SiC epitaxiale wafer

 

Dimensie	SiC van keramische kwaliteit	SiC van halfgeleiderkwaliteit
Kristalstructuur	Polykristallijn, meerdere polytypen	Enkel kristal, strikt geselecteerde polytypen
Procesfocus	Verdichting en vormcontrole	Kristalkwaliteit en elektrische eigenschappencontrole
Prestatieprioriteit	Mechanische sterkte, corrosiebestendigheid, thermische stabiliteit	Elektrische eigenschappen (bandgap, doorslagveld, etc.)
Toepassingsscenario's	Structurele componenten, slijtvaste onderdelen, hogetemperatuurcomponenten	Hoogvermogenapparaten, hoogfrequente apparaten, opto-elektronische apparaten
Kostenfactoren	Procesflexibiliteit, grondstofkosten	Kristalgroeisnelheid, precisie van de apparatuur, zuiverheid van de grondstof

 

Kortom, het fundamentele verschil komt voort uit hun verschillende functionele doelen: SiC van keramische kwaliteit maakt gebruik van "vorm (structuur)", terwijl SiC van halfgeleiderkwaliteit gebruikmaakt van "eigenschappen (elektrisch)". SiC van keramische kwaliteit streeft naar kosteneffectieve mechanische/thermische prestaties, terwijl SiC van halfgeleiderkwaliteit het toppunt van materiaalvoorbereidingstechnologie vertegenwoordigt als een hoogzuiver, functioneel monokristalmateriaal. Hoewel SiC van keramische kwaliteit en SiC van halfgeleiderkwaliteit dezelfde chemische oorsprong hebben, vertonen ze duidelijke verschillen in zuiverheid, kristalstructuur en productieprocessen – maar leveren beide een significante bijdrage aan de industriële productie en technologische vooruitgang in hun respectievelijke domeinen.