Керамика на основе карбида кремния против полупроводникового карбида кремния: один и тот же материал с двумя разными судьбами

1. Различные требования к чистоте сырья

 

Керамический SiC предъявляет относительно низкие требования к чистоте исходного порошка. Как правило, коммерческие продукты с чистотой 90–98% удовлетворяют большинству потребностей, хотя для высокопроизводительной конструкционной керамики может потребоваться чистота 98–99,5% (например, для реакционно-связанного SiC требуется контролируемое содержание свободного кремния). Он допускает наличие некоторых примесей и иногда намеренно содержит спекающие добавки, такие как оксид алюминия (Al₂O₃) или оксид иттрия (Y₂O₃), для улучшения характеристик спекания, снижения температуры спекания и повышения плотности конечного продукта.

 

Для производства полупроводникового SiC требуется практически идеальная чистота. Для монокристаллического SiC, используемого в качестве подложки, требуется чистота ≥99,9999% (6N), а для некоторых высокопроизводительных приложений — 7N (99,99999%). Эпитаксиальные слои должны поддерживать концентрацию примесей ниже 10¹⁶ атомов/см³ (особенно избегая примесей с глубоким уровнем заряда, таких как B, Al и V). Даже следы примесей, такие как железо (Fe), алюминий (Al) или бор (B), могут существенно влиять на электрические свойства, вызывая рассеяние носителей заряда, снижая напряженность поля пробоя и, в конечном итоге, снижая производительность и надежность устройств, что требует строгого контроля содержания примесей.

 

Полупроводниковый материал на основе карбида кремния

 

2. Различные кристаллические структуры и качество

 

Керамический SiC в основном существует в виде поликристаллического порошка или спечённых тел, состоящих из множества хаотично ориентированных микрокристаллов SiC. Материал может содержать несколько политипов (например, α-SiC, β-SiC) без строгого контроля за конкретными политипами, при этом особое внимание уделяется общей плотности и однородности материала. Его внутренняя структура характеризуется обилием межзёренных границ и микроскопическими порами, а также может содержать спекающие добавки (например, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

SiC полупроводникового качества должен представлять собой монокристаллические подложки или эпитаксиальные слои с высокоупорядоченной кристаллической структурой. Для этого требуются определённые политипы, полученные с помощью прецизионных методов выращивания кристаллов (например, 4H-SiC, 6H-SiC). Электрические свойства, такие как подвижность электронов и ширина запрещённой зоны, чрезвычайно чувствительны к выбору политипа, что требует строгого контроля. В настоящее время 4H-SiC доминирует на рынке благодаря своим превосходным электрическим свойствам, включая высокую подвижность носителей заряда и напряжённость поля пробоя, что делает его идеальным материалом для силовых устройств.

 

3. Сравнение сложности процесса

 

Керамический SiC изготавливается по сравнительно простым технологиям (подготовка порошка → формование → спекание), аналогичным «изготовлению кирпича». Процесс включает в себя:

 

• Смешивание коммерческого порошка SiC (обычно микронного размера) со связующими веществами
• Формование прессованием
• Высокотемпературное спекание (1600-2200°C) для достижения уплотнения за счет диффузии частиц
  Для большинства применений подходит плотность >90%. Весь процесс не требует точного контроля роста кристаллов, вместо этого основное внимание уделяется формованию и равномерности спекания. К преимуществам относится гибкость процесса для сложных форм, хотя и с относительно низкими требованиями к чистоте.

 

Производство SiC полупроводникового качества требует гораздо более сложных процессов (приготовление высокочистого порошка → выращивание монокристаллической подложки → эпитаксиальное осаждение пластин → изготовление устройства). Ключевые этапы включают:

 

• Подготовка субстрата преимущественно методом физического переноса паров (PVT)
• Сублимация порошка SiC в экстремальных условиях (2200-2400°C, высокий вакуум)
• Точный контроль градиентов температуры (±1°C) и параметров давления
• Выращивание эпитаксиальных слоев методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) для создания равномерно толстых легированных слоев (обычно от нескольких до десятков микрометров)
  Весь процесс требует ультрачистых условий (например, чистых помещений класса 10) для предотвращения загрязнения. К особенностям процесса относятся исключительная точность, требующая контроля тепловых полей и расхода газа, а также строгие требования к чистоте сырья (>99,9999%) и сложности оборудования.

 

4. Значительные различия в стоимости и рыночные ориентации

 

Характеристики SiC керамического класса:

• Сырье: Коммерческий порошок
• Относительно простые процессы
• Низкая стоимость: от тысяч до десятков тысяч юаней за тонну
• Широкое применение: абразивы, огнеупоры и другие отрасли промышленности, чувствительные к затратам

 

Характеристики SiC полупроводникового класса:

• Длительные циклы роста субстрата
• Сложный контроль дефектов
• Низкие показатели урожайности
• Высокая стоимость: тысячи долларов США за 6-дюймовую подложку
• Целевые рынки: высокопроизводительная электроника, такая как силовые устройства и радиочастотные компоненты.
  В связи с быстрым развитием новых видов транспорта на энергии и связи 5G спрос на рынке растет экспоненциально.

 

5. Дифференцированные сценарии применения

 

Керамический SiC служит «промышленной рабочей лошадкой», прежде всего, для конструкционных применений. Благодаря своим превосходным механическим свойствам (высокая твёрдость, износостойкость) и термическим свойствам (высокая термостойкость, стойкость к окислению) он превосходен в:

 

• Абразивные материалы (шлифовальные круги, наждачная бумага)
• Огнеупоры (футеровка высокотемпературных печей)
• Износостойкие и коррозионностойкие компоненты (корпусы насосов, футеровки трубопроводов)

 

Керамические структурные элементы из карбида кремния

 

SiC полупроводникового класса выступает в роли «элиты электроники», используя свойства широкозонного полупроводника для демонстрации уникальных преимуществ в электронных устройствах:

 

• Устройства питания: инверторы для электромобилей, сетевые преобразователи (повышение эффективности преобразования энергии)
• Радиочастотные устройства: базовые станции 5G, радиолокационные системы (обеспечивающие более высокие рабочие частоты)
• Оптоэлектроника: материал подложки для синих светодиодов

 

200-миллиметровая эпитаксиальная пластина SiC

 

Измерение	Керамический SiC	SiC полупроводникового качества
Кристаллическая структура	Поликристаллические, множественные политипы	Монокристаллы, строго отобранные политипы
Фокус на процессе	Уплотнение и контроль формы	Контроль качества кристаллов и электрических свойств
Приоритет производительности	Механическая прочность, коррозионная стойкость, термическая стабильность	Электрические свойства (ширина запрещенной зоны, поле пробоя и т. д.)
Сценарии применения	Конструкционные элементы, износостойкие детали, высокотемпературные элементы	Мощные приборы, высокочастотные приборы, оптоэлектронные приборы
Факторы, влияющие на стоимость	Гибкость процесса, стоимость сырья	Скорость роста кристаллов, точность оборудования, чистота сырья

 

Подводя итог, можно сказать, что фундаментальное различие обусловлено их различными функциональными назначениями: керамический SiC использует «форму (структуру)», а полупроводниковый SiC — «свойства (электрические)». Первый обеспечивает экономически эффективные механические/термические характеристики, а второй представляет собой вершину технологии получения материалов, являясь высокочистым монокристаллическим функциональным материалом. Несмотря на одинаковое химическое происхождение, керамический и полупроводниковый SiC демонстрируют чёткие различия в чистоте, кристаллической структуре и производственных процессах, однако оба вносят значительный вклад в промышленное производство и технологический прогресс в своих областях.