Keramika z karbidu křemíku vs. polovodičový karbid křemíku: Stejný materiál se dvěma odlišnými osudy

1. Rozdílné požadavky na čistotu surovin

 

Keramický SiC má relativně nízké požadavky na čistotu práškového vstupního materiálu. Většinu aplikačních potřeb obvykle splňují produkty komerční kvality s čistotou 90–98 %, ačkoli vysoce výkonná strukturální keramika může vyžadovat čistotu 98–99,5 % (např. reakčně vázaný SiC vyžaduje kontrolovaný obsah volného křemíku). Toleruje určité nečistoty a někdy záměrně obsahuje slinovací přísady, jako je oxid hlinitý (Al₂O₃) nebo oxid yttritý (Y₂O₃), aby se zlepšil výkon slinování, snížily teploty slinování a zvýšila se hustota konečného produktu.

 

Polovodičový SiC vyžaduje téměř dokonalou úroveň čistoty. Monokrystalický SiC substrátové kvality vyžaduje čistotu ≥99,9999 % (6N), přičemž některé špičkové aplikace vyžadují čistotu 7N (99,99999 %). Epitaxní vrstvy musí udržovat koncentraci nečistot pod 10¹⁶ atomů/cm³ (zejména je třeba se vyhnout hlubokým nečistotám, jako jsou B, Al a V). I stopové nečistoty, jako je železo (Fe), hliník (Al) nebo bor (B), mohou vážně ovlivnit elektrické vlastnosti tím, že způsobují rozptyl nosičů náboje, snižují intenzitu průrazného pole a v konečném důsledku ohrožují výkon a spolehlivost zařízení, což vyžaduje přísnou kontrolu nečistot.

 

Polovodičový materiál z karbidu křemíku

 

2. Odlišné krystalové struktury a kvalita

 

Keramický SiC existuje primárně jako polykrystalický prášek nebo slinutá tělesa složená z mnoha náhodně orientovaných mikrokrystalů SiC. Materiál může obsahovat více polytypů (např. α-SiC, β-SiC) bez přísné kontroly nad konkrétními polytypy, s důrazem na celkovou hustotu a uniformitu materiálu. Jeho vnitřní struktura se vyznačuje hojnými hranicemi zrn a mikroskopickými póry a může obsahovat slinovací látky (např. Al₂O₃, Y₂O₃).

 

Polovodičový SiC musí být monokrystalické substráty nebo epitaxní vrstvy s vysoce uspořádanými krystalovými strukturami. Vyžaduje specifické polytypy získané pomocí přesných technik růstu krystalů (např. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektrické vlastnosti, jako je mobilita elektronů a šířka zakázaného pásma, jsou extrémně citlivé na výběr polytypu, což vyžaduje přísnou kontrolu. V současné době 4H-SiC dominuje na trhu díky svým vynikajícím elektrickým vlastnostem, včetně vysoké mobility nosičů náboje a intenzity průrazného pole, což ho činí ideálním pro výkonová zařízení.

 

3. Porovnání složitosti procesů

 

Keramický SiC využívá relativně jednoduché výrobní procesy (příprava prášku → tváření → spékání), analogické s „výrobou cihel“. Proces zahrnuje:

 

• Míchání prášku SiC komerční kvality (obvykle o velikosti mikronů) s pojivy
• Tváření lisováním
• Vysokoteplotní slinování (1600–2200 °C) pro dosažení zhuštění difuzí částic
  Většina aplikací může být spokojena s hustotou >90 %. Celý proces nevyžaduje přesnou kontrolu růstu krystalů, místo toho se zaměřuje na konzistenci tvarování a spékání. Mezi výhody patří flexibilita procesu pro složité tvary, i když s relativně nižšími požadavky na čistotu.

 

Polovodičový SiC zahrnuje mnohem složitější procesy (příprava vysoce čistého prášku → růst monokrystalického substrátu → epitaxní depozice destičky → výroba součástky). Mezi klíčové kroky patří:

 

• Příprava substrátu primárně metodou fyzikálního transportu par (PVT)
• Sublimace prášku SiC za extrémních podmínek (2200-2400 °C, vysoké vakuum)
• Přesné řízení teplotních gradientů (±1 °C) a tlakových parametrů
• Růst epitaxní vrstvy pomocí chemické depozice z plynné fáze (CVD) pro vytvoření rovnoměrně silných, dopovaných vrstev (obvykle několik až desítek mikronů)
  Celý proces vyžaduje ultračisté prostředí (např. čisté prostory třídy 10), aby se zabránilo kontaminaci. Mezi charakteristiky patří extrémní přesnost procesu, vyžadující kontrolu nad tepelnými poli a průtoky plynu, s přísnými požadavky na čistotu surovin (>99,9999 %) a sofistikovanost zařízení.

 

4. Významné rozdíly v nákladech a tržní orientace

 

Vlastnosti SiC keramické kvality:

• Surovina: Prášek komerční kvality
• Relativně jednoduché procesy
• Nízké náklady: Tisíce až desítky tisíc RMB za tunu
• Široké použití: Brusiva, žáruvzdorné materiály a další odvětví citlivá na náklady

 

Vlastnosti SiC polovodičové kvality:

• Dlouhé cykly růstu substrátu
• Náročná kontrola vad
• Nízké výnosy
• Vysoká cena: Tisíce USD za 6palcový substrát
• Zaměřené trhy: Vysoce výkonná elektronika, jako jsou výkonová zařízení a RF komponenty
  S rychlým rozvojem vozidel na nové zdroje energie a komunikací 5G roste poptávka na trhu exponenciálně.

 

5. Diferencované aplikační scénáře

 

Keramický SiC slouží jako „průmyslový tahoun“ především pro konstrukční aplikace. Díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem (vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení) a tepelným vlastnostem (vysoká teplotní odolnost, odolnost proti oxidaci) vyniká v:

 

• Brusné materiály (brusné kotouče, smirkový papír)
• Žáruvzdorné materiály (vyzděné pece pro vysoké teploty)
• Součásti odolné proti opotřebení/korozi (tělesa čerpadel, výstelky potrubí)

 

Keramické konstrukční komponenty z karbidu křemíku

 

Polovodičový SiC se chová jako „elektronická elita“ a využívá své polovodičové vlastnosti s širokým zakázaným pásmem k demonstraci jedinečných výhod v elektronických zařízeních:

 

• Napájecí zařízení: střídače pro elektromobily, síťové měniče (zlepšující účinnost přeměny energie)
• RF zařízení: základnové stanice 5G, radarové systémy (umožňující vyšší provozní frekvence)
• Optoelektronika: Substrátový materiál pro modré LED diody

 

200milimetrová epitaxní destička SiC

 

Dimenze	SiC keramické kvality	SiC polovodičové kvality
Krystalová struktura	Polykrystalický, více polytypů	Monokrystal, striktně vybrané polytypy
Zaměření na proces	Zhušťování a kontrola tvaru	Řízení kvality krystalů a elektrických vlastností
Priorita výkonu	Mechanická pevnost, odolnost proti korozi, tepelná stabilita	Elektrické vlastnosti (zakázané pásmo, průrazné pole atd.)
Scénáře aplikací	Konstrukční prvky, díly odolné proti opotřebení, součásti odolné vůči vysokým teplotám	Vysokovýkonná zařízení, vysokofrekvenční zařízení, optoelektronická zařízení
Hnací síly nákladů	Flexibilita procesu, náklady na suroviny	Rychlost růstu krystalů, přesnost zařízení, čistota suroviny

 

Stručně řečeno, zásadní rozdíl pramení z jejich odlišných funkčních účelů: keramický SiC využívá „formu (strukturu)“, zatímco polovodičový SiC využívá „vlastnosti (elektrické)“. První jmenovaný usiluje o cenově efektivní mechanický/tepelný výkon, zatímco druhý představuje vrchol technologie přípravy materiálů jako vysoce čistý, monokrystalický funkční materiál. Přestože sdílejí stejný chemický původ, keramický a polovodičový SiC vykazují zřetelné rozdíly v čistotě, krystalové struktuře a výrobních procesech – přesto oba významně přispívají k průmyslové výrobě a technologickému pokroku ve svých příslušných oblastech.