Ränikarbiidkeraamika vs. pooljuht-ränikarbiid: sama materjal kahe erineva saatusega

1. Toorainete erinevad puhtusnõuded

 

Keraamilise kvaliteediga SiC-l on pulbrilise tooraine jaoks suhteliselt leebe puhtus. Tavaliselt vastavad enamiku rakenduste vajadustele 90–98% puhtusastmega kaubandusliku kvaliteediga tooted, kuigi kõrgjõudlusega struktuurkeraamika võib vajada 98–99,5% puhtust (nt reaktsiooniseguga SiC vajab kontrollitud vaba räni sisaldust). See talub teatud lisandeid ja mõnikord lisab tahtlikult paagutamise abiaineid, näiteks alumiiniumoksiidi (Al₂O₃) või ütriumoksiidi (Y₂O₃), et parandada paagutamise jõudlust, alandada paagutamistemperatuure ja suurendada lõpptoote tihedust.

 

Pooljuhtide kvaliteediga SiC nõuab peaaegu ideaalset puhtusastet. Aluspinna kvaliteediga monokristall SiC vajab puhtust ≥99,9999% (6N), mõned tipptasemel rakendused aga 7N (99,99999%). Epitaksiaalkihid peavad hoidma lisandite kontsentratsiooni alla 10¹⁶ aatomit/cm³ (eriti vältides sügaval asuvaid lisandeid nagu B, Al ja V). Isegi jälgedes olevad lisandid, nagu raud (Fe), alumiinium (Al) või boor (B), võivad elektrilisi omadusi tõsiselt mõjutada, põhjustades laengukandjate hajumist, vähendades läbilöögivälja tugevust ning lõppkokkuvõttes seadme jõudlust ja töökindlust kahjustades, mistõttu on vaja lisandite ranget kontrolli.

 

Ränikarbiidi pooljuhtmaterjal

 

2. Erinevad kristallstruktuurid ja kvaliteet

 

Keraamilise kvaliteediga SiC esineb peamiselt polükristallilise pulbri või paagutatud kehadena, mis koosnevad arvukatest juhuslikult orienteeritud SiC mikrokristallidest. Materjal võib sisaldada mitut polütüüpi (nt α-SiC, β-SiC) ilma range kontrollita konkreetsete polütüüpide üle, rõhuasetusega hoopis materjali üldisel tihedusel ja ühtlusel. Selle sisestruktuurile on iseloomulikud rikkalikud terapiirid ja mikroskoopilised poorid ning see võib sisaldada paagutamise abiaineid (nt Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Pooljuhtide kvaliteediga SiC peab olema monokristalliline aluspind või epitaksiaalne kiht, millel on väga korrastatud kristallstruktuur. See nõuab spetsiifilisi polütüüpe, mis on saadud täppiskristallide kasvutehnikate abil (nt 4H-SiC, 6H-SiC). Elektrilised omadused, nagu elektronide liikuvus ja keelutsoon, on polütüübi valiku suhtes äärmiselt tundlikud, mis nõuab ranget kontrolli. Praegu domineerib 4H-SiC turul tänu oma suurepärastele elektrilistele omadustele, sealhulgas suurele laengukandjate liikuvusele ja läbilöögivälja tugevusele, mistõttu on see ideaalne jõuseadmete jaoks.

 

3. Protsessi keerukuse võrdlus

 

Keraamilise kvaliteediga SiC valmistamine toimub suhteliselt lihtsate protsesside abil (pulbri ettevalmistamine → vormimine → paagutamine), mis on analoogsed telliste valmistamisega. Protsess hõlmab järgmist:

 

• Kaubandusliku kvaliteediga SiC-pulbri (tavaliselt mikronisuuruse) segamine sideainetega
• Vormimine pressimise teel
• Kõrgel temperatuuril paagutamine (1600–2200 °C) osakeste difusiooni teel tihendamise saavutamiseks
  Enamik rakendusi on rahuldatavad >90% tihedusega. Kogu protsess ei vaja täpset kristallikasvu kontrolli, vaid keskendub vormimise ja paagutamise konsistentsile. Eeliste hulka kuulub protsessi paindlikkus keerukate kujude puhul, kuigi puhtusnõuded on suhteliselt madalamad.

 

Pooljuhtide kvaliteediga SiC hõlmab palju keerukamaid protsesse (kõrge puhtusastmega pulbri ettevalmistamine → monokristalli substraadi kasv → epitaksiaalne vahvli sadestamine → seadme valmistamine). Peamised etapid on järgmised:

 

• Aluspinna ettevalmistamine peamiselt füüsikalise aurutranspordi (PVT) meetodil
• SiC-pulbri sublimatsioon äärmuslikes tingimustes (2200–2400 °C, kõrgvaakum)
• Temperatuurigradientide (±1°C) ja rõhuparameetrite täpne kontroll
• Epitaksiaalse kihi kasv keemilise aurustamise (CVD) teel ühtlaselt paksude, legeeritud kihtide loomiseks (tavaliselt mitu kuni kümme mikronit)
  Kogu protsess nõuab saastumise vältimiseks ülipuhast keskkonda (nt 10. klassi puhasruumid). Selle omaduste hulka kuulub äärmine protsessitäpsus, mis nõuab kontrolli termiliste väljade ja gaasivoolukiiruste üle, ning ranged nõuded nii tooraine puhtusele (>99,9999%) kui ka seadmete keerukusele.

 

4. Olulised kuluerinevused ja turuorientatsioon

 

Keraamilise kvaliteediga SiC omadused:

• Tooraine: kaubandusliku kvaliteediga pulber
• Suhteliselt lihtsad protsessid
• Madal hind: tuhandeid kuni kümneid tuhandeid RMB tonni kohta
• Laialdased rakendused: abrasiivid, tulekindlad materjalid ja muud kulutundlikud tööstusharud

 

Pooljuhtide kvaliteediga SiC omadused:

• Pikad substraadi kasvutsüklid
• Raske defektide kontroll
• Madalad tootlusmäärad
• Kõrge hind: tuhandeid dollareid 6-tollise aluspinna kohta
• Fookuses olevad turud: suure jõudlusega elektroonika, näiteks jõuseadmed ja raadiosageduslikud komponendid
  Uute energiaallikate ja 5G-kommunikatsiooni kiire arenguga kasvab turunõudlus hüppeliselt.

 

5. Diferentseeritud rakendusstsenaariumid

 

Keraamilise kvaliteediga SiC on „tööhobune“ peamiselt konstruktsioonirakendustes. Tänu oma suurepärastele mehaanilistele omadustele (kõrge kõvadus, kulumiskindlus) ja termilistele omadustele (kõrge temperatuuritaluvus, oksüdatsioonikindlus) paistab see silma järgmiste omadustega:

 

• Abrasiivid (lihvkettad, liivapaber)
• Tulekindlad materjalid (kõrgtemperatuurilised ahjude vooderdised)
• Kulumis-/korrosioonikindlad komponendid (pumba korpused, torude vooderdised)

 

Ränikarbiidist keraamilised konstruktsioonielemendid

 

Pooljuhtide kvaliteediga SiC toimib „elektroonilise eliidina“, kasutades oma laia keelutsooni pooljuhtide omadusi, et demonstreerida elektroonikaseadmetes ainulaadseid eeliseid:

 

• Toiteseadmed: elektriautode inverterid, võrgumuundurid (parandavad energiamuundamise efektiivsust)
• Raadiosagedusseadmed: 5G tugijaamad, radarsüsteemid (võimaldavad kõrgemaid töösagedusi)
• Optoelektroonika: siniste LED-ide alusmaterjal

 

200-millimeetrine SiC epitaksiaalne vahvel

 

Mõõtme	Keraamilise kvaliteediga SiC	Pooljuhtide kvaliteediga SiC
Kristallstruktuur	Polükristalliline, mitu polütüüpi	Monokristall, rangelt valitud polütüübid
Protsessi fookus	Tihendamine ja kuju kontroll	Kristallide kvaliteedi ja elektriliste omaduste kontroll
Toimivuse prioriteet	Mehaaniline tugevus, korrosioonikindlus, termiline stabiilsus	Elektrilised omadused (keelduvus, läbilöögiväli jne)
Rakendusstsenaariumid	Konstruktsioonikomponendid, kulumiskindlad osad, kõrge temperatuuriga komponendid	Suure võimsusega seadmed, kõrgsagedusseadmed, optoelektroonilised seadmed
Kulutegurid	Protsessi paindlikkus, tooraine hind	Kristallide kasvukiirus, seadmete täpsus, tooraine puhtus

 

Kokkuvõttes tuleneb põhiline erinevus nende erinevatest funktsionaalsetest eesmärkidest: keraamilise kvaliteediga SiC kasutab „vormi (struktuuri)“, samas kui pooljuhtkvaliteediga SiC kasutab „omadusi (elektrilisi)“. Esimene taotleb kulutõhusat mehaanilist/termilist jõudlust, samas kui viimane esindab materjali ettevalmistamise tehnoloogia tipptaset kõrge puhtusastmega, monokristallilise funktsionaalse materjalina. Kuigi keraamilise ja pooljuhtkvaliteediga SiC-l on sama keemiline päritolu, on neil selged erinevused puhtuse, kristallstruktuuri ja tootmisprotsesside osas – ometi annavad mõlemad olulise panuse tööstustootmisse ja tehnoloogilisse arengusse oma vastavates valdkondades.