Silic cacbua (SiC) là một hợp chất đáng chú ý có thể được tìm thấy trong cả ngành công nghiệp bán dẫn và các sản phẩm gốm sứ tiên tiến. Điều này thường gây nhầm lẫn cho người dùng phổ thông, họ có thể nhầm lẫn chúng là cùng một loại sản phẩm. Trên thực tế, mặc dù có cùng thành phần hóa học, SiC có thể là gốm sứ tiên tiến chống mài mòn hoặc chất bán dẫn hiệu suất cao, đóng vai trò hoàn toàn khác nhau trong các ứng dụng công nghiệp. Có sự khác biệt đáng kể giữa vật liệu SiC cấp gốm sứ và cấp bán dẫn về cấu trúc tinh thể, quy trình sản xuất, đặc tính hiệu suất và lĩnh vực ứng dụng.
- Yêu cầu về độ tinh khiết khác nhau đối với nguyên liệu thô
SiC cấp gốm có yêu cầu về độ tinh khiết tương đối dễ chịu đối với nguyên liệu bột. Thông thường, các sản phẩm thương mại với độ tinh khiết 90%-98% có thể đáp ứng hầu hết các nhu cầu ứng dụng, mặc dù gốm kết cấu hiệu suất cao có thể yêu cầu độ tinh khiết 98%-99,5% (ví dụ: SiC liên kết phản ứng yêu cầu hàm lượng silic tự do được kiểm soát). Nó dung nạp một số tạp chất nhất định và đôi khi được cố ý kết hợp các chất hỗ trợ thiêu kết như nhôm oxit (Al₂O₃) hoặc yttri oxit (Y₂O₃) để cải thiện hiệu suất thiêu kết, giảm nhiệt độ thiêu kết và tăng mật độ sản phẩm cuối cùng.
SiC cấp bán dẫn đòi hỏi độ tinh khiết gần như hoàn hảo. SiC đơn tinh thể cấp chất nền yêu cầu độ tinh khiết ≥99,9999% (6N), với một số ứng dụng cao cấp cần độ tinh khiết 7N (99,99999%). Các lớp epitaxial phải duy trì nồng độ tạp chất dưới 10¹⁶ nguyên tử/cm³ (đặc biệt tránh các tạp chất ở tầng sâu như B, Al và V). Ngay cả các tạp chất vết như sắt (Fe), nhôm (Al) hoặc boron (B) cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các đặc tính điện bằng cách gây ra tán xạ hạt tải, làm giảm cường độ trường đánh thủng và cuối cùng làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị, đòi hỏi phải kiểm soát tạp chất nghiêm ngặt.
Vật liệu bán dẫn silicon carbide
- Cấu trúc tinh thể riêng biệt và chất lượng
SiC cấp gốm chủ yếu tồn tại dưới dạng bột đa tinh thể hoặc các khối thiêu kết gồm nhiều vi tinh thể SiC định hướng ngẫu nhiên. Vật liệu có thể chứa nhiều polytype (ví dụ: α-SiC, β-SiC) mà không cần kiểm soát chặt chẽ từng polytype cụ thể, thay vào đó, tập trung vào mật độ và tính đồng nhất tổng thể của vật liệu. Cấu trúc bên trong của nó có nhiều ranh giới hạt và các lỗ rỗng siêu nhỏ, và có thể chứa các chất trợ thiêu kết (ví dụ: Al₂O₃, Y₂O₃).
SiC cấp bán dẫn phải là nền đơn tinh thể hoặc lớp epitaxy với cấu trúc tinh thể có độ trật tự cao. Nó đòi hỏi các polytype cụ thể thu được thông qua các kỹ thuật nuôi cấy tinh thể chính xác (ví dụ: 4H-SiC, 6H-SiC). Các tính chất điện như độ linh động điện tử và khoảng cách vùng cấm cực kỳ nhạy cảm với việc lựa chọn polytype, đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ. Hiện nay, 4H-SiC đang chiếm ưu thế trên thị trường nhờ các tính chất điện vượt trội, bao gồm độ linh động hạt tải điện cao và cường độ trường đánh thủng, khiến nó trở nên lý tưởng cho các thiết bị điện.
- So sánh độ phức tạp của quy trình
SiC cấp gốm sử dụng các quy trình sản xuất tương đối đơn giản (chuẩn bị bột → tạo hình → thiêu kết), tương tự như “làm gạch”. Quy trình này bao gồm:
- Trộn bột SiC cấp thương mại (thường có kích thước micron) với chất kết dính
- Hình thành thông qua ép
- Thiêu kết ở nhiệt độ cao (1600-2200°C) để đạt được độ đặc thông qua sự khuếch tán của hạt
Hầu hết các ứng dụng đều có thể đạt được mật độ >90%. Toàn bộ quy trình không yêu cầu kiểm soát sự phát triển tinh thể chính xác, thay vào đó tập trung vào độ đồng nhất khi tạo hình và thiêu kết. Ưu điểm bao gồm tính linh hoạt của quy trình đối với các hình dạng phức tạp, mặc dù yêu cầu về độ tinh khiết tương đối thấp hơn.
SiC cấp bán dẫn bao gồm các quy trình phức tạp hơn nhiều (chuẩn bị bột có độ tinh khiết cao → phát triển nền tinh thể đơn → lắng đọng wafer epitaxial → chế tạo thiết bị). Các bước chính bao gồm:
- Chuẩn bị chất nền chủ yếu thông qua phương pháp vận chuyển hơi vật lý (PVT)
- Thăng hoa bột SiC ở điều kiện khắc nghiệt (2200-2400°C, chân không cao)
- Kiểm soát chính xác các thông số nhiệt độ (±1°C) và áp suất
- Sự phát triển của lớp epitaxial thông qua lắng đọng hơi hóa học (CVD) để tạo ra các lớp pha tạp có độ dày đồng đều (thường từ vài đến hàng chục micron)
Toàn bộ quy trình đòi hỏi môi trường siêu sạch (ví dụ: phòng sạch Cấp 10) để ngăn ngừa ô nhiễm. Đặc điểm của quy trình này bao gồm độ chính xác cực cao, đòi hỏi kiểm soát trường nhiệt và lưu lượng khí, với các yêu cầu nghiêm ngặt về độ tinh khiết của nguyên liệu thô (>99,9999%) và độ tinh vi của thiết bị.
- Sự khác biệt đáng kể về chi phí và định hướng thị trường
Các tính năng của SiC cấp gốm:
- Nguyên liệu thô: Bột cấp thương mại
- Quy trình tương đối đơn giản
- Giá thành thấp: Hàng ngàn đến hàng chục ngàn nhân dân tệ một tấn
- Ứng dụng rộng rãi: Chất mài mòn, vật liệu chịu lửa và các ngành công nghiệp nhạy cảm về chi phí khác
Các đặc điểm của SiC cấp bán dẫn:
- Chu kỳ tăng trưởng chất nền dài
- Kiểm soát lỗi đầy thách thức
- Tỷ lệ lợi nhuận thấp
- Chi phí cao: Hàng ngàn đô la cho một tấm nền 6 inch
- Thị trường trọng tâm: Thiết bị điện tử hiệu suất cao như thiết bị điện và linh kiện RF
Với sự phát triển nhanh chóng của các loại xe năng lượng mới và truyền thông 5G, nhu cầu thị trường đang tăng theo cấp số nhân.
- Các kịch bản ứng dụng khác biệt
SiC cấp gốm sứ đóng vai trò là “con ngựa thồ công nghiệp” chủ yếu cho các ứng dụng kết cấu. Tận dụng các đặc tính cơ học tuyệt vời (độ cứng cao, khả năng chống mài mòn) và đặc tính nhiệt (chịu nhiệt độ cao, chống oxy hóa), SiC vượt trội ở:
- Chất mài mòn (đá mài, giấy nhám)
- Vật liệu chịu lửa (lớp lót lò nung nhiệt độ cao)
- Các thành phần chống mài mòn/ăn mòn (thân bơm, lớp lót ống)
Thành phần cấu trúc gốm silicon carbide
SiC cấp bán dẫn hoạt động như “tinh hoa điện tử”, sử dụng các đặc tính bán dẫn có khoảng cách dải rộng để chứng minh những lợi thế độc đáo trong các thiết bị điện tử:
- Thiết bị điện: Bộ biến tần EV, bộ chuyển đổi lưới điện (cải thiện hiệu suất chuyển đổi điện năng)
- Thiết bị RF: Trạm gốc 5G, hệ thống radar (cho phép tần số hoạt động cao hơn)
- Quang điện tử: Vật liệu nền cho đèn LED xanh
Tấm wafer epitaxial SiC 200 mm
| Kích thước | SiC cấp gốm | SiC cấp bán dẫn |
| Cấu trúc tinh thể | Đa tinh thể, nhiều loại đa tinh thể | Tinh thể đơn, đa hình được lựa chọn nghiêm ngặt |
| Tập trung vào quy trình | Kiểm soát độ đặc và hình dạng | Kiểm soát chất lượng tinh thể và tính chất điện |
| Ưu tiên hiệu suất | Độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn, độ ổn định nhiệt | Tính chất điện (khoảng cách dải, trường đánh thủng, v.v.) |
| Các tình huống ứng dụng | Các thành phần cấu trúc, các bộ phận chống mài mòn, các thành phần nhiệt độ cao | Thiết bị công suất cao, thiết bị tần số cao, thiết bị quang điện tử |
| Các yếu tố chi phí | Tính linh hoạt của quy trình, chi phí nguyên liệu thô | Tốc độ phát triển tinh thể, độ chính xác của thiết bị, độ tinh khiết của nguyên liệu thô |
Tóm lại, sự khác biệt cơ bản bắt nguồn từ mục đích chức năng riêng biệt của chúng: SiC cấp gốm sử dụng “hình dạng (cấu trúc)” trong khi SiC cấp bán dẫn sử dụng “tính chất (điện)”. SiC cấp gốm theo đuổi hiệu suất cơ học/nhiệt tiết kiệm chi phí, trong khi SiC cấp bán dẫn đại diện cho đỉnh cao của công nghệ chế tạo vật liệu với tư cách là vật liệu chức năng đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao. Mặc dù có cùng nguồn gốc hóa học, SiC cấp gốm và SiC cấp bán dẫn thể hiện sự khác biệt rõ ràng về độ tinh khiết, cấu trúc tinh thể và quy trình sản xuất – tuy nhiên, cả hai đều đóng góp đáng kể cho sản xuất công nghiệp và tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực tương ứng của chúng.
XKH là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên về nghiên cứu và phát triển (R&D) và sản xuất vật liệu silicon carbide (SiC), cung cấp các dịch vụ phát triển, gia công chính xác và xử lý bề mặt tùy chỉnh, từ gốm SiC độ tinh khiết cao đến tinh thể SiC cấp bán dẫn. Tận dụng công nghệ chuẩn bị tiên tiến và dây chuyền sản xuất thông minh, XKH cung cấp các sản phẩm và giải pháp SiC hiệu suất có thể điều chỉnh (độ tinh khiết 90%-7N) và cấu trúc được kiểm soát (đa tinh thể/đơn tinh thể) cho khách hàng trong lĩnh vực bán dẫn, năng lượng mới, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực tiên tiến khác. Sản phẩm của chúng tôi được ứng dụng rộng rãi trong thiết bị bán dẫn, xe điện, truyền thông 5G và các ngành công nghiệp liên quan.
Sau đây là các thiết bị gốm silicon carbide do XKH sản xuất.
Thời gian đăng: 30-07-2025