Bagaimana silikon karbida dihasilkan pada skala perindustrian?

Menu Kandungan

● Asas karbida silikon

● Kaedah pembuatan industri

>> 1. Proses Acheson

>> 2. Pengangkutan Wap Fizikal (PVT)

>> 3. Pemendapan wap kimia (CVD)

● Inovasi moden dalam pengeluaran massa karbida silikon

>> Pengoptimuman proses yang didorong oleh AI

>> Teknologi relau besar

>> Kitar semula dan kemampanan

● Aplikasi karbida silikon yang dihasilkan secara massal

● Cabaran dalam pengeluaran skala industri

● Trend masa depan

● Kesimpulan

● Soalan Lazim

>> 1. Mengapa karbida silikon lebih disukai daripada silikon dalam elektronik kuasa?

>> 2. Berapa lama masa yang diperlukan untuk mengembangkan satu kristal SIC menggunakan PVT?

>> 3. Apakah peratusan pengeluaran SIC global menggunakan proses Acheson?

>> 4. Bolehkah karbida silikon dikitar semula?

>> 5. Apakah halangan utama untuk penggunaan siconductor yang lebih luas?

Silicon Carbide (SIC) telah menjadi bahan asas bagi industri yang memerlukan ketahanan yang melampau, kestabilan haba, dan kecekapan elektrik. Pengeluaran besar-besarannya memanfaatkan proses perindustrian yang ditapis selama beberapa dekad, menggabungkan sintesis suhu tinggi, kejuruteraan ketepatan, dan automasi canggih. Artikel ini meneroka metodologi, cabaran, dan inovasi yang memandu Pengeluaran besar -besaran karbida silikon , memberikan pandangan tentang peranan kritikalnya di seluruh sektor seperti tenaga, pertahanan, dan pembuatan lanjutan.

Asas karbida silikon

Silicon Carbide adalah sebatian sintetik silikon dan karbon, yang terkenal dengan kekerasannya yang luar biasa (9.5 Mohs), kekonduksian terma (120-490 W/m · k), dan inertness kimia. Tidak seperti moissanite yang semulajadi, SIC industri dihasilkan secara sintetik untuk memenuhi keperluan kesucian dan struktur yang ketat.

Kaedah pembuatan industri

1. Proses Acheson

Dibangunkan pada tahun 1891 oleh Edward Acheson, kaedah ini tetap digunakan secara meluas untuk sintesis SIC pukal.

Langkah:

1. Penyediaan bahan mentah: Pasir silika kemelut tinggi (SIO₂) dan petroleum coke (c) dicampur dalam nisbah 1: 3.

2. Perhimpunan relau: Campuran dimuatkan ke dalam relau rintangan elektrik yang dipenuhi grafit.

3. Fasa tindak balas: suhu melebihi 2,500 ° C mencetuskan tindak balas:

SIO ₂+3C → SIC +2CO

4. Penyejukan & Pengekstrakan: Selepas 36-48 jam, relau sejuk, dan kristal sic mentah diekstrak dari teras grafit.

5. Crushing & Grading: Bahan dihancurkan dan disusun ke dalam saiz grit untuk abrasive, refraktori, atau pemprosesan selanjutnya.

Kelebihan:

-Kos efektif untuk output berskala besar.

- Sesuai untuk SIC kelas kasar dan metalurgi.

Batasan:

- intensif tenaga (sehingga 12 MWh per tan).

- Kesucian terhad (95-98%) disebabkan oleh kekotoran sisa seperti besi dan aluminium.

2. Pengangkutan Wap Fizikal (PVT)

PVT menguasai pengeluaran wafer SIC tunggal kristal untuk elektronik.

Langkah:

1. Sublimation: Serbuk SIC dipanaskan hingga ~ 2,400 ° C dalam vakum, menguap ke dalam gas Si, Si₂c, dan Sic₂.

2. Pertumbuhan Kristal: Wap mengepam pada kristal benih yang lebih sejuk, membentuk satu ingot kristal.

3. Pemprosesan wafer: Ingot dihiris ke dalam wafer menggunakan gergaji wayar berlian dan digilap ke kelancaran nanoscale.

Kelebihan:

-Menghasilkan kristal 4H-SIC dan 6H-SIC untuk peranti kuasa.

-Membolehkan doping (misalnya, nitrogen untuk n-jenis, aluminium untuk p-jenis).

Cabaran:

- Kadar pertumbuhan yang perlahan (0.2-2 mm/jam).

- Ketumpatan kecacatan tinggi berbanding silikon.

3. Pemendapan wap kimia (CVD)

Deposit CVD Lapisan SIC ultra-tujuan ke substrat seperti grafit atau silikon.

Langkah:

1. Pengenalan Gas: Silane (sih₄) dan metana (ch₄) dimasukkan ke dalam ruang vakum.

2. Penguraian haba: Pada 1,200-1,600 ° C, gas bertindak balas untuk membentuk SIC pada substrat:

SIH ₄+CH ₄→ SIC +4H₂

3. Kawalan ketebalan lapisan: Tempoh proses menentukan ketebalan salutan (1-100 μm).

Aplikasi:

- Lapisan pelindung untuk bilah turbin.

- Substrat cermin untuk teleskop angkasa.

Inovasi moden dalam pengeluaran massa karbida silikon

Pengoptimuman proses yang didorong oleh AI

- Kawalan suhu: Algoritma pembelajaran mesin menyesuaikan parameter relau dalam masa nyata, mengurangkan penggunaan tenaga sebanyak 15%.

- Pengesanan kecacatan: Sistem penglihatan komputer mengenal pasti ketidaksempurnaan kristal semasa pertumbuhan PVT, meningkatkan hasil sebanyak 30%.

Teknologi relau besar

- Meningkatkan relau acheson hingga 10 meter panjang meningkatkan output batch sebanyak 400%.

- Sistem pengecasan automatik mengurangkan kos buruh dan risiko pencemaran.

Kitar semula dan kemampanan

- Pelepasan CO dari reaktor acheson ditangkap dan ditukar kepada asid formik.

- Sic enapcemar dari pemotongan wafer ditakdirkan untuk batu bata refraktori.

Aplikasi karbida silikon yang dihasilkan secara massal

Cabaran dalam pengeluaran skala industri

1. Kos Tenaga: 60% daripada perbelanjaan pengeluaran SIC berasal dari elektrik.

2. Kecacatan kristal: Dislokasi dalam Wafers yang ditanam PVT membataskan hasil peranti.

3. Bekalan Grafit: 80% grafit kemelut tinggi berasal dari China, mewujudkan risiko rantaian bekalan.

Trend masa depan

- Pengangkatan wafer 8 inci: Peralihan dari 150mm hingga 200mm wafer boleh mengurangkan kos cip sebanyak 35%.

- Epitaxy Fasa Cecair: Teknik yang muncul menjanjikan lapisan SIC bebas kecacatan pada 1,800 ° C.

Kesimpulan

Pengeluaran massa silikon karbida telah berkembang dari proses batch artisanal ke sistem yang sangat automatik yang mampu menyampaikan kedua-dua megaton kasar kasar dan wafer 200mm bebas kecacatan. Oleh kerana tenaga boleh diperbaharui dan kenderaan elektrik memacu permintaan, pengeluar melabur $ 4 bilion setahun untuk memperbaiki teknik pertumbuhan kristal, mengamalkan teknologi 4.0 industri, dan bekalan bahan mentah yang selamat. Dengan kombinasi yang tidak dapat ditandingi oleh sifat terma, elektrik, dan mekanikal, sic berdiri untuk merevolusikan industri dari pengkomputeran kuantum ke penerbangan hipersonik.

Soalan Lazim

1. Mengapa karbida silikon lebih disukai daripada silikon dalam elektronik kuasa?

Bandgap yang lebih luas SIC (3.3 eV vs 1.1 eV) membolehkan operasi pada suhu dan voltan yang lebih tinggi, mengurangkan kerugian tenaga sehingga 70% dalam penyongsang EV.

2. Berapa lama masa yang diperlukan untuk mengembangkan satu kristal SIC menggunakan PVT?

Boule 4H-SIC diameter 150mm biasanya memerlukan 7-10 hari pertumbuhan berterusan pada 2,200 ° C.

3. Apakah peratusan pengeluaran SIC global menggunakan proses Acheson?

Kira-kira 75% gred kasar dan 40% daripada SIC gred logam bergantung pada relau acheson.

4. Bolehkah karbida silikon dikitar semula?

Ya, sehingga 90% roda pengisaran SIC dikitar semula ke dalam bahan refraktori atau abrasive jalan melalui pemisahan menghancurkan dan magnet.

5. Apakah halangan utama untuk penggunaan siconductor yang lebih luas?

Kos wafer kekal 5-8x lebih tinggi daripada silikon kerana pertumbuhan kristal yang kompleks dan hasil yang lebih rendah, walaupun harga jatuh 15% setahun.