Цахиурын карбид керамик ба хагас дамжуулагч цахиурын карбид: Хоёр өөр хувь тавилантай ижил материал

1. Түүхий эдийн цэвэр байдлын шаардлагуудын ялгаатай байдал

 

Керамик зэрэглэлийн SiC нь нунтаг түүхий эддээ харьцангуй зөөлөн цэвэршилтийн шаардлага тавьдаг. Ерөнхийдөө 90%-98% цэвэршилттэй арилжааны зэрэглэлийн бүтээгдэхүүн нь ихэнх хэрэглээний хэрэгцээг хангаж чаддаг боловч өндөр хүчин чадалтай бүтцийн керамик нь 98%-99.5% цэвэршилт шаарддаг (жишээлбэл, урвалд холбогдсон SiC нь хяналттай чөлөөт цахиурын агууламжийг шаарддаг). Энэ нь тодорхой хольцыг тэсвэрлэдэг бөгөөд заримдаа хөнгөн цагааны исэл (Al₂O₃) эсвэл иттрий исэл (Y₂O₃) зэрэг хайлуулах туслахуудыг санаатайгаар оруулж хайлуулах гүйцэтгэлийг сайжруулж, хайлуулах температурыг бууруулж, эцсийн бүтээгдэхүүний нягтралыг нэмэгдүүлдэг.

 

Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC нь бараг төгс цэвэршилтийн түвшинг шаарддаг. Субстратын зэрэглэлийн дан талст SiC нь ≥99.9999% (6N) цэвэршилт шаарддаг бөгөөд зарим өндөр зэрэглэлийн хэрэглээнд 7N (99.99999%) цэвэршилт шаардлагатай байдаг. Эпитаксиал давхаргууд нь хольцын концентрацийг 10¹⁶ атом/см³-ээс доош байлгах ёстой (ялангуяа B, Al, V зэрэг гүн түвшний хольцоос зайлсхийх). Төмөр (Fe), хөнгөн цагаан (Al), эсвэл бор (B) зэрэг ул мөр хольцууд нь зөөгч тархалтыг үүсгэж, эвдрэлийн талбайн хүчийг бууруулж, эцэст нь төхөөрөмжийн гүйцэтгэл болон найдвартай байдлыг алдагдуулснаар цахилгаан шинж чанарт ноцтой нөлөөлж, хольцын хатуу хяналтыг шаарддаг.

 

Цахиурын карбидын хагас дамжуулагч материал

 

2. Онцлог талст бүтэц ба чанар

 

Керамик зэрэглэлийн SiC нь голчлон олон тооны санамсаргүй чиглэлтэй SiC микроталстуудаас бүрдсэн поликристал нунтаг эсвэл шатаасан биет хэлбэрээр оршдог. Энэ материал нь тодорхой политипийг хатуу хянахгүйгээр олон политип (жишээ нь, α-SiC, β-SiC) агуулж болох бөгөөд үүний оронд материалын нийт нягтрал болон жигд байдалд анхаарлаа хандуулдаг. Түүний дотоод бүтэц нь элбэг дэлбэг үр тарианы хил хязгаар, микроскопийн нүх сүвтэй бөгөөд шатаах туслах бодис (жишээ нь, Al₂O₃, Y₂O₃) агуулж болно.

 

Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC нь өндөр дараалсан болор бүтэцтэй дан талст суурь эсвэл эпитаксиал давхарга байх ёстой. Энэ нь нарийн болор ургуулах техникээр (жишээ нь, 4H-SiC, 6H-SiC) гаргаж авсан тодорхой политипийг шаарддаг. Электроны хөдөлгөөн ба зурвасын зай зэрэг цахилгаан шинж чанарууд нь политипийн сонголтод маш мэдрэмтгий тул хатуу хяналт шаарддаг. Одоогийн байдлаар 4H-SiC нь өндөр тээвэрлэгчийн хөдөлгөөн болон эвдрэлийн талбайн хүч зэрэг давуу талтай цахилгаан шинж чанаруудынхаа ачаар зах зээлд ноёрхож байгаа бөгөөд энэ нь цахилгаан төхөөрөмжүүдэд тохиромжтой болгодог.

 

3. Процессын нарийн төвөгтэй байдлын харьцуулалт

 

Керамик зэрэглэлийн SiC нь "тоосго хийх"-тэй төстэй харьцангуй энгийн үйлдвэрлэлийн процессуудыг (нунтаг бэлтгэх → хэлбэржүүлэх → шатаах) ашигладаг. Энэ үйл явц нь дараахь зүйлийг агуулна.

 

• Арилжааны зэрэглэлийн SiC нунтаг (ихэвчлэн микрон хэмжээтэй)-ийг холбогч бодистой холих
• Даралтаар хэлбэржүүлэх
• Бөөмийн тархалтаар нягтралд хүрэхийн тулд өндөр температурт (1600-2200°C) хайлуулах
  Ихэнх хэрэглээг 90%-иас дээш нягтралтайгаар хангаж болно. Бүхэл бүтэн үйл явц нь талстын өсөлтийн нарийн хяналтыг шаарддаггүй бөгөөд үүний оронд хэлбэржүүлэх, шатаах тууштай байдалд анхаарлаа хандуулдаг. Давуу талууд нь нарийн төвөгтэй хэлбэрт зориулсан үйл явцын уян хатан байдал боловч харьцангуй бага цэвэршилтийн шаардлагатай байдаг.

 

Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC нь илүү нарийн төвөгтэй процессуудыг хамардаг (өндөр цэвэршилттэй нунтаг бэлтгэх → дан талст субстратын өсөлт → эпитаксиаль вафлийн тунадасжилт → төхөөрөмж үйлдвэрлэх). Гол алхамууд нь:

 

• Үндсэндээ физик уурын тээвэрлэлт (PVT) аргаар субстрат бэлтгэх
• SiC нунтагыг хэт хүнд нөхцөлд (2200-2400°C, өндөр вакуум) сублимаци хийх
• Температурын градиент (±1°C) болон даралтын параметрүүдийг нарийн хянах
• Химийн уурын тунадасжилт (CVD)-аар эпитаксиал давхаргын өсөлтийг жигд зузаан, хольцтой давхарга (ихэвчлэн хэдэн арван микрон) үүсгэх замаар явуулдаг.
  Бохирдлоос урьдчилан сэргийлэхийн тулд бүхэл бүтэн үйл явц нь хэт цэвэр орчин (жишээ нь, 10-р зэрэглэлийн цэвэр өрөө) шаарддаг. Онцлог шинж чанарууд нь түүхий эдийн цэвэр байдал (>99.9999%) болон тоног төхөөрөмжийн нарийн төвөгтэй байдалд хатуу шаардлага тавьдаг дулааны талбар болон хийн урсгалын хурдыг хянах шаардлагатай процессын хэт нарийвчлалыг багтаадаг.

 

4. Зардлын мэдэгдэхүйц ялгаа ба зах зээлийн чиг баримжаа

 

Керамик зэрэглэлийн SiC-ийн онцлог шинж чанарууд:

• Түүхий эд: Арилжааны зэрэглэлийн нунтаг
• Харьцангуй энгийн процессууд
• Бага өртөг: Нэг тонн тутамд мянгаас хэдэн арван мянган юань
• Өргөн хэрэглээ: Зүлгүүр, галд тэсвэртэй материал болон бусад өртөг өндөртэй үйлдвэрүүд

 

Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC-ийн онцлог шинж чанарууд:

• Урт субстратын өсөлтийн мөчлөг
• Согог хянах сорилт
• Бага ургацын түвшин
• Өндөр өртөг: 6 инчийн суурь тутамд хэдэн мянган ам.доллар
• Төвлөрсөн зах зээлүүд: Цахилгаан төхөөрөмж болон RF-ийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд гэх мэт өндөр хүчин чадалтай электроникууд
  Шинэ эрчим хүчний тээврийн хэрэгсэл болон 5G харилцаа холбоо хурдацтай хөгжиж байгаатай холбогдуулан зах зээлийн эрэлт хэрэгцээ эрс нэмэгдэж байна.

 

5. Ялгаатай хэрэглээний хувилбарууд

 

Керамик зэрэглэлийн SiC нь голчлон бүтцийн хэрэглээнд "үйлдвэрлэлийн ажлын хэрэгсэл" болж үйлчилдэг. Маш сайн механик шинж чанар (өндөр хатуулаг, элэгдэлд тэсвэртэй байдал) болон дулааны шинж чанар (өндөр температурт тэсвэртэй байдал, исэлдэлтийн эсэргүүцэл)-ийг ашиглан дараахь зүйлийг давуу талтай болгодог:

 

• Зүлгүүрийн материал (нунтаглах дугуй, зүлгүүр)
• Галд тэсвэртэй материал (өндөр температурт зуухны доторлогоо)
• Элэгдэлд тэсвэртэй/зэврэлтэнд тэсвэртэй эд ангиуд (насосны их бие, хоолойн доторлогоо)

 

Цахиурын карбидын керамик бүтцийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд

 

Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC нь электрон төхөөрөмжүүдийн өвөрмөц давуу талуудыг харуулахын тулд өргөн зурвасын завсартай хагас дамжуулагч шинж чанараа ашиглан "электрон элит" үүрэг гүйцэтгэдэг.

 

• Цахилгаан төхөөрөмжүүд: Цахилгаан тээврийн хэрэгслийн инвертер, сүлжээний хөрвүүлэгч (цахилгаан хувиргалтын үр ашгийг сайжруулах)
• RF төхөөрөмжүүд: 5G суурь станцууд, радарын системүүд (илүү өндөр давтамжтай ажиллах боломжийг олгодог)
• Оптоэлектроник: Цэнхэр LED-ийн суурь материал

 

200 миллиметрийн SiC эпитаксиаль вафли

 

Хэмжээ	Керамик зэрэглэлийн SiC	Хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC
Кристал бүтэц	Поликристалл, олон политип	Ганц талст, нарийн сонгосон политипүүд
Процессын фокус	Нягтрал ба хэлбэрийн хяналт	Кристал чанар болон цахилгааны шинж чанарын хяналт
Гүйцэтгэлийн тэргүүлэх чиглэл	Механик бат бөх, зэврэлтээс хамгаалах, дулааны тогтвортой байдал	Цахилгаан шинж чанар (зурвасын зай, эвдрэлийн талбар гэх мэт)
Хэрэглээний хувилбарууд	Бүтцийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд, элэгдэлд тэсвэртэй эд ангиуд, өндөр температурт тэсвэртэй эд ангиуд	Өндөр хүчин чадалтай төхөөрөмжүүд, өндөр давтамжийн төхөөрөмжүүд, оптоэлектроник төхөөрөмжүүд
Зардлын жолооч нар	Үйл явцын уян хатан байдал, түүхий эдийн өртөг	Кристал өсөлтийн хурд, тоног төхөөрөмжийн нарийвчлал, түүхий эдийн цэвэршилт

 

Товчхондоо, үндсэн ялгаа нь тэдгээрийн ялгаатай үйл ажиллагааны зорилгоос үүдэлтэй: керамик зэрэглэлийн SiC нь "хэлбэр (бүтэц)"-ийг ашигладаг бол хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC нь "шинж чанар (цахилгаан)"-ийг ашигладаг. Эхнийх нь зардал багатай механик/дулааны гүйцэтгэлийг эрэлхийлдэг бол сүүлийнх нь өндөр цэвэршилттэй, дан талст функциональ материал болох материал бэлтгэх технологийн оргил үеийг илэрхийлдэг. Хэдийгээр ижил химийн гарал үүсэлтэй боловч керамик зэрэглэлийн болон хагас дамжуулагч зэрэглэлийн SiC нь цэвэршилт, талст бүтэц, үйлдвэрлэлийн процесст тодорхой ялгааг харуулдаг боловч хоёулаа тус тусын салбартаа аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэл, технологийн дэвшилд чухал хувь нэмэр оруулдаг.