Кои са ключовите стъпки в процеса на производство на силициев карбид?

Меню за съдържание

● Преглед на методите за производство на силициев карбид

● Процесът на Acheson: Стъпка по стъпка разбивка

>> 1. Подготовка на суровини

>> 2. Зареждане и конфигуриране на пещта

>> 3. Високотемпературна реакция

>> 4. Охлаждане и извличане

>> 5. Раздробяване и класиране

>> 6. Пречистване и контрол на качеството

● Усъвършенствани техники за производство

>> Физически транспорт на пари (PVT)

>> Химическо отлагане на пари (CVD)

● След обработка и оформяне

>> Формиране на технологии

>> Напредък на синтероване

● Индустриални приложения

>> Специфични за сектора изисквания

● Екологични и икономически съображения

>> Оптимизация на енергията

>> Инициативи за рециклиране

● Бъдещи тенденции в производството на SIC

● Заключение

● Често задавани въпроси

>> 1. Защо процесът на Acheson използва дървени стърготини?

>> 2. Каква е типичната чистота на Acheson-Process SIC?

>> 3. Колко време отнема пълен производствен цикъл?

>> 4. Може ли SIC да бъде рециклиран?

>> 5. Защо CVD се предпочита за електрониката?

● Цитати:

Силиконов карбид (SIC) стана незаменим в индустриите, вариращи от аерокосмическото пространство до полупроводници поради изключителната му твърдост, топлинната стабилност и химическата устойчивост. Тази статия изследва методите за индустриално производство, фокусирайки се върху процеса на Acheson, като същевременно обхваща усъвършенствани техники като физически транспорт на пари (PVT) и химическо отлагане на пари (CVD).

Преглед на методите за производство на силициев карбид

Два основни метода доминират в производството на SIC:

1. Процес на Acheson: Традиционният мащабен метод за производство на абразивен клас SIC.

2. Физически транспорт на пари (PVT): Използва се за единични кристали с висока чистота в електрониката.

3. Химическо отлагане на пари (CVD): Специализирано за приложения за полупроводници с тънкослов.

Тази статия се фокусира върху процеса на Acheson, който представлява над 90% от индустриалното производство на SIC.

Процесът на Acheson: Стъпка по стъпка разбивка

1. Подготовка на суровини

Процесът на производство на силициев карбид започва с щателен избор на суровини:

- Пясък на силициев диоксид: Добавен от кварцови находища, изискващи ≥99,5% чистота на SiO₂.

- Източници на въглерод: петролен кокс (предпочитан за ниско съдържание на пепел) или антрацитни въглища.

- Добавки:

- Дъзове (5–10% теглов) за създаване на канали за бягство от газ.

- Натриев хлорид (2–3%) понижава температурата на реакцията от 2600 ° C до 2400 ° C.

Съвременните съоръжения използват лазерно индуцирана спектроскопия (LIBS) за анализ на състава в реално време на суровини.

2. Зареждане и конфигуриране на пещта

Сърцето на производството на силициев карбид се намира в пещта за електрическо съпротивление:

- Дизайн: Правоъгълна стоманена обвивка с огнеупорна лигавица с дебелина 500-1 000 мм.

- Електроди: Графитни пръти (диаметър 300–500 мм) доставят 100–200V DC мощност.

- Сглобяване на сърцевината: въглеродно черно, смесено с 10% свързващо вещество, образува проводимото ядро.

Типична производствена партида използва:

на компонентите	на количеството	Цел
Sio₂/C смес	50–100 тона	Реакционна маса
Солна добавка	1–2 тона	Агент на потока
Дървени стърготини	3–5 тона	Контрол на порьозността

3. Високотемпературна реакция

Карботермалното намаление се осъществява в три фази:

1. Предварително нагряване (0–1,800 ° C): 12–18 часа за изтичане на летливи вещества.

2. Фаза на реакция (2,100–2,500 ° С):

SIO ₂+3C → SIC +2CO ↑

Емисиите на газ на CO при 2,5 тона на партида.

3. Растеж на кристалите (2,500–2,700 ° С): образуване на α-SIC шестоъгълни тромбоцити.

Разширените системи за термично изображение наблюдават градиентите на температурата в рамките на ± 25 ° C.

4. Охлаждане и извличане

Работата след реакция изисква прецизност:

- Контролирано охлаждане: Прочистването на азот ускорява охлаждането до 5–7 дни.

- Зонална извличане: Булът съдържа различни региони:

- Вътрешно ядро: Зелен SIC с висока чистота (MOHS 9.5).

- Среден слой: Черен SIC с 1–3% свободен въглерод.

- Външна кора: Нереагиран материал (15–25% от общата маса).

5. Раздробяване и класиране

Съвременни линии за производство на силициев карбид използват:

- HPGR Crushers: шлифовъчните ролки с високо налягане намаляват използването на енергия с 30% срещу дробилите на челюстта.

- Класификация на въздуха: Постига разпределение на размера на частиците от:

- Груби песъчинки: 12–240 меша (1,680–53 μm).

- Микрони прахове: D97 ≤ 10 μm.

6. Пречистване и контрол на качеството

След обработката гарантира материална последователност:

- Кисело извличане:

- Хидрофлуоровата киселина (5–15%) премахва SiO₂.

- Сярна киселина (20%) елиминира металните примеси.

- Лазерна дифракция: проверява разпределението на размера на частиците.

-XRD анализ: Потвърждава съдържанието на β-SIC <0,5% в α-SIC продукти.

Усъвършенствани техники за производство

Физически транспорт на пари (PVT)

Полупроводниковият клас SIC изисква специализиран растеж:

1. Подготовка на семена: 4H-SIC вафли, излъскани до RA <0,2 nm.

2. Параметрите на растежа:

- Температурен градиент: 15–25 ° C/cm.

- Налягане: 5–50 mbar.

3. Смекчаване на дефекти:

- Плътност на дислокацията на базалната равнина: <100 cm².

- Дефекти на микропипи: елиминирани в съвременни 150 -милиметрови вафли.

Химическо отлагане на пари (CVD)

За приложения за захранване на електроника:

Прекурсорни газове:

- Силиконов източник: SIH₄ (5–10% в H₂).

- Източник на въглерод: c₃h₈ или ch₃sicl₃.

Темпове на растеж:

- Ръст на насипно състояние: 0,3–1,0 mm/hr.

- Епитаксиални слоеве: 10–50 μm/hr.

След обработка и оформяне

Формиране на технологии

Метод Плътност	на налягането	Постигнати	приложения
Сухо натискане	50–200 MPa	60–75% TD	Огнеупорни тухли
Студена изостатична	200–400 MPa	75–85% TD	Бронирани плочки
Инжекционно формоване	70–150 MPa	55–65% TD	Сложни геометрии

Напредък на синтероване

Иновациите в производството на силициев карбид включват:

Синтер за твърдо състояние:

- Добавки: B₄C + C (0,5–2,0%).

- Температура: 2,100–2,200 ° C.

Течно-фазно синтероване:

- Fluxes al₂o₃-y₂o₃ позволяват уплътняване при 1850–1,950 ° C.

Индустриални приложения

Специфични за сектора изисквания

Казус: Инверторът на модел 3 на Tesla използва 24 SIC MOSFET, като намалява загубите на мощност със 75% в сравнение със SI IGBT.

Екологични и икономически съображения

Оптимизация на енергията

Съвременни съоръжения за производство на силициев карбид: изпълнение:

- Възстановяване на отпадъчната топлина: 40–50% от топлината на пещта, преобразувана в парна мощност.

- DC дъга пещи: Намалете консумацията на енергия до 6–8 kWh/kg.

Инициативи за рециклиране

Системите със затворен контур се възстановяват:

- 92–95% от абразивната песъчинка чрез разделяне на хидроциклона.

- 70% пещ извън газ Co за синтез на метанол.

Бъдещи тенденции в производството на SIC

1. По -голям растеж на кристалите: 200 мм производство на вафли до 2026 г.

2. Адитивно производство: Свързващо вещество на SIC компоненти с 99,3% плътност.

3. Интеграция на AI: Машинното обучение предсказва оптимални параметри на пещта с 94% точност.

Заключение

Процесът на производство на силициев карбид съчетава вековни принципи с авангардни иновации. Докато процесът на Acheson остава доминиращ за производството на насипно състояние, PVT и CVD дават възможност за разширени приложения в електрониката на мощността. Бъдещият напредък в дизайна, рециклирането и дигитализацията на пещта ще затвърди ролята на SIC като критичен материал за екстремни среди, като глобалният пазар на SIC се очаква да достигне 10,6 милиарда долара до 2028 г.

Често задавани въпроси

1. Защо процесът на Acheson използва дървени стърготини?

Дъчките изгарят по време на отопление, създавайки канали за изтичане на газ, които предотвратяват натрупването на налягане и подобряват равномерността на реакцията.

2. Каква е типичната чистота на Acheson-Process SIC?

Търговските степени достигат 98–99,5% чистота, докато вариантите, измити с киселина, надвишават 99,9%.

3. Колко време отнема пълен производствен цикъл?

От суровини до крайния прах: 15–20 дни (включително 7–10 дни охлаждане).

4. Може ли SIC да бъде рециклиран?

Да - до 40% от отпадъците на шлифовъчните колела се възстановяват чрез раздробяване и магнитно разделяне.

5. Защо CVD се предпочита за електрониката?

CVD постига плътност на дефектите <1 cm² срещу 10⊃3; –10⁴ cm² В PVT кристали.

Цитати:

[1] https://www.linkedin.com/pulse/silicon-carbide-sic-industrial-production-methods-francois-xavier-xqf7e

[2] https://www.ipsceramics.com/how-is-silicon-carbide-made/

[3] https://materials.iisc.ac.in/~govindg/silicon_carbide_manufacture.htm

[4] https://www.linkedin.com/pulse/compredbusty-guide-silicon-carbide-from

[5] https://www.linkedin.com/pulse/production-process-silicon-carbide-wrstc

[6] https://www.domill.com/what-is-the-silicon-carbide-powder-fakingprocess-flow.html

[7] https://www.xinliabrasive.com/production-process-of-black-silicon-carbide.html

[8] https://www.semi-cera.com/news/silicon-carbide-wafer-production-process/

[9] https://kindle-tech.com/faqs/how-do-youprocess-silicon-carbide

[10] https://www.washingtonmills.com/silicon-carbide/sic-production-process

[11] https://www.azom.com/article.aspx?articleid=3271

[12] https://patents.google.com/patent/us20140315373a1/en

[13] https://www.linkedin.com/pulse/manufacturing-process-production-flow-silicon-carbide-saggars-l57ic

[14] https://www.crystec.com/crysice.htm

[15] https://en.wikipedia.org/wiki/acheson_process

[16] https://www.ntnu.no/blogger/teknat/en/2020/12/15/role-of-silicon-carbide-sic-in-silicon-ferro-silicon-si-fesiprocess/

[17] https://newsroom.st.com/media-center/press-item.html/c3262.html

[18] https://www.matek.com/en-global/tech_article/detail/all/all/202205-iar

[19] https://www.wolfspeed.com/company/news-events/news/wolfspeed-opens-the-worlds-largest-200mm-silicon-carbide-fab-enabling-highly-anticipated-device-production/

[20] https://wiredspace.wits.ac.za/bitstreams/09da15cb-8cc1-4573-b55e-b4ed15050145/download

[21] https://www.sglcarbon.com/en/newsroom/stories/why-silicon-carbide-semiconductors-have-a-right-future/