실리콘 카바이드 (SIC)는 극도의 내구성, 열 안정성 및 전기 효율이 필요한 산업의 초석 재료가되었습니다. 대량 생산량은 고온 합성, 정밀 엔지니어링 및 최첨단 자동화를 결합하여 수십 년에 걸쳐 정제 된 고급 산업 공정을 레버리합니다. 이 기사는 방법론, 도전 및 혁신을 추진합니다 실리콘 탄화물 대량 생산으로 에너지, 방어 및 고급 제조와 같은 부문에서 중요한 역할에 대한 통찰력을 제공합니다.
실리콘 카바이드의 기본 사항
실리콘 카바이드는 실리콘과 탄소의 합성 화합물로, 탁월한 경도 (9.5 moh), 열 전도도 (120-490 w/m · k) 및 화학적 불활성으로 유명합니다. 자연적으로 발생하는 Moissanite와 달리 산업 SIC는 엄격한 순도 및 구조적 요구 사항을 충족시키기 위해 합성 적으로 생산됩니다.
산업 제조 방법
1. Acheson 프로세스
1891 년 Edward Acheson이 개발 한이 방법은 벌크 SIC 합성에 가장 널리 사용됩니다.
단계 :
1. 원료 준비 : 고급 실리카 모래 (Sio₂) 및 석유 코크 (C)는 1 : 3 비율로 혼합됩니다.
2. 용광로 어셈블리 : 혼합물은 흑연이 라이닝 된 전기 저항 용광로에 로딩된다.
3. 반응 단계 : 2,500 ° C를 초과하는 온도가 반응을 유발합니다.
SIO 2+3C → SIC +2CO
4. 냉각 및 추출 : 36-48 시간 후에 용광로가 냉각되고 조잡한 SIC 결정이 흑연 코어에서 추출됩니다.
5. 분쇄 및 등급 : 재료는 연마제, 내화성 또는 추가 가공을 위해 분쇄되어 그릿 크기로 분류됩니다.
장점 :
-대규모 출력에 대한 비용 효율적입니다.
- 연마 및 야금 등급 SIC에 적합합니다.
제한 사항 :
- 에너지 집약적 (톤당 최대 12mWh).
- 철 및 알루미늄과 같은 잔류 불순물로 인한 순도 (95-98%).
2. 물리 증기 수송 (PVT)
PVT는 전자 장치를위한 단일 결정 SIC 웨이퍼의 생산을 지배합니다.
단계 :
1. 승화 : SiC 분말은 진공 상태에서 ~ 2,400 ℃로 가열되어 Si, Si₂c 및 Sic₂ 가스로 기화된다.
2. 결정 성장 : 증기가 더 차가운 시드 결정에 응축되어 단일 결정 잉곳을 형성합니다.
3. 웨이퍼 가공 : 잉곳은 다이아몬드 와이어 톱을 사용하여 웨이퍼로 썰어 나노 스케일의 부드러움으로 연마됩니다.
장점 :
-전원 장치 용 4H-SIC 및 6H-SIC 크리스탈을 생산합니다.
-도핑 (예 : N 형의 질소, P- 타입의 알루미늄)을 활성화합니다.
도전 과제 :
- 성장 속도가 느립니다 (0.2–2 mm/시간).
- 실리콘에 비해 높은 결함 밀도.
3. 화학 증기 증착 (CVD)
CVD는 흑연 또는 실리콘과 같은 기판에 초소형 층을 퇴적시킨다.
단계 :
1. 가스 소개 : 실란 (SIHAT) 및 메탄 (CHAT)은 진공 챔버에 공급됩니다.
2. 열 분해 : 1,200–1,600 ° C에서 가스는 기판상의 SIC를 형성하기 위해 반응합니다.
SIH 4+CH 4→ SIC +4H2
3. 층 두께 제어 : 공정 지속 시간은 코팅 두께 (1–100 µm)를 결정합니다.
응용 프로그램 :
- 터빈 블레이드의 보호 코팅.
- 우주 망원경의 거울 기판.
실리콘 카바이드 대량 생산의 현대 혁신
AI 구동 프로세스 최적화
- 온도 제어 : 머신 러닝 알고리즘 퍼니스 매개 변수를 실시간으로 조정하여 에너지 사용을 15%줄입니다.
- 결함 탐지 : 컴퓨터 비전 시스템은 PVT 성장 중 결정 결함을 식별하여 수율을 30%향상시킵니다.
실리콘 카바이드 대량 생산은 장인의 배치 공정에서 연마성 그릿의 메가 톤과 결함이없는 200mm 웨이퍼를 모두 전달할 수있는 고도로 자동화 된 시스템으로 발전했습니다. 재생 에너지와 전기 자동차가 수요를 유발함에 따라 제조업체는 매년 40 억 달러를 투자하여 결정 성장 기술을 개선하고 산업 4.0 기술을 채택하며 원자재 공급을 안전하게 지정하고 있습니다. SIC는 열, 전기 및 기계적 특성의 타의 추종을 불허하는 조합으로 양자 컴퓨팅에서 초음속 항공에 이르기까지 산업에 혁명을 일으킬 준비가되어 있습니다.
FAQ
1. 전력 전자 장치에서 실리콘보다 실리콘 카바이드가 왜 선호됩니까?
SIC의 더 넓은 밴드 갭 (3.3 eV vs. 1.1 eV)은 더 높은 온도 및 전압에서의 작동을 가능하게하여 EV 인버터에서 에너지 손실을 최대 70% 감소시킵니다.
2. PVT를 사용하여 단일 SIC 크리스탈을 재배하는 데 얼마나 걸립니까?
150mm 직경의 4H-sic boule은 일반적으로 2,200 ° C에서 7-10 일의 지속적인 성장이 필요합니다.
3. 글로벌 SIC 생산의 몇 퍼센트가 Acheson 프로세스를 사용합니까?
연마 등급의 약 75%와 야금 등급 SIC의 40%가 Acheson 용광로에 의존합니다.
4. 실리콘 카바이드를 재활용 할 수 있습니까?
예, SIC 분쇄 휠의 최대 90%가 분쇄 및 자기 분리를 통해 내화성 재료 또는 도로 연마제로 재활용됩니다.
5. 반도체의 더 넓은 SIC 채택에 대한 주요 장벽은 무엇입니까?
웨이퍼 비용은 복잡한 결정 성장과 수익률이 낮기 때문에 실리콘보다 5-8 배 높게 유지되지만 가격은 매년 15% 하락합니다.
