ขั้นตอนสำคัญในกระบวนการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์คืออะไร?

เมนูเนื้อหา

ภาพรวมของวิธีการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์

กระบวนการ ACHESON: การแยกย่อยทีละขั้นตอน

- 1. การเตรียมวัตถุดิบ

- 2. การโหลดและการกำหนดค่าเตาเผา

- 3. ปฏิกิริยาอุณหภูมิสูง

- 4. การระบายความร้อนและการสกัด

- 5. การบดและการให้คะแนน

- 6. การควบคุมการบริสุทธิ์และการควบคุมคุณภาพ

เทคนิคการผลิตขั้นสูง

- การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT)

- การสะสมไอสารเคมี (CVD)

โพสต์การประมวลผลและการสร้าง

- การสร้างเทคโนโลยี

- ความก้าวหน้าในการเผา

แอปพลิเคชันอุตสาหกรรม

- ข้อกำหนดเฉพาะภาค

การพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจ

- การเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน

- ความคิดริเริ่มการรีไซเคิล

แนวโน้มในอนาคตในการผลิต SIC

บทสรุป

คำถามที่พบบ่อย

- 1. เหตุใดกระบวนการ Acheson จึงใช้ขี้เลื่อย?

- 2. ความบริสุทธิ์ทั่วไปของ Acheson-process sic คืออะไร?

- 3. วงจรการผลิตเต็มรูปแบบใช้เวลานานแค่ไหน?

- 4. SIC สามารถรีไซเคิลได้หรือไม่?

- 5. เหตุใด CVD จึงเป็นที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์?

การอ้างอิง:

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SIC) กลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมตั้งแต่การบินและอวกาศไปจนถึงเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากความแข็งที่รุนแรงความเสถียรทางความร้อนและความต้านทานทางเคมี บทความนี้สำรวจวิธีการผลิตอุตสาหกรรมโดยมุ่งเน้นไปที่กระบวนการ ACHESON ในขณะเดียวกันก็ครอบคลุมเทคนิคขั้นสูงเช่นการขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) และการสะสมไอเคมี (CVD)

ภาพรวมของวิธีการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์

สองวิธีหลักมีอิทธิพลต่อการผลิต SIC:

1. กระบวนการ ACHESON: วิธีการแบบดั้งเดิมขนาดใหญ่สำหรับการผลิต SIC เกรดขัด

2. การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT): ใช้สำหรับผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูงในอิเล็กทรอนิกส์

3. การสะสมไอสารเคมี (CVD): เฉพาะสำหรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์แบบฟิล์มบาง

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่กระบวนการ Acheson ซึ่งคิดเป็นมากกว่า 90% ของการผลิต SIC อุตสาหกรรม

กระบวนการ ACHESON: การแยกย่อยทีละขั้นตอน

1. การเตรียมวัตถุดิบ

กระบวนการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์เริ่มต้นด้วยการเลือกวัตถุดิบอย่างพิถีพิถัน:

- ซิลิกาทราย: ที่มาจากเงินฝากควอตซ์ต้องใช้ความบริสุทธิ์≥99.5%

- แหล่งคาร์บอน: Petroleum Coke (ต้องการสำหรับปริมาณเถ้าต่ำ) หรือถ่านหินแอนทราไซต์

- สารเติมแต่ง:

- ขี้เลื่อย (5–10% โดยน้ำหนัก) เพื่อสร้างช่องทางหนีก๊าซ

- โซเดียมคลอไรด์ (2–3%) ลดอุณหภูมิปฏิกิริยาจาก 2,600 ° C เป็น 2,400 ° C

สิ่งอำนวยความสะดวกที่ทันสมัยใช้สเปกโทรสโกปีที่เกิดจากเลเซอร์ (LIBS) สำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบแบบเรียลไทม์ของวัตถุดิบ

2. การโหลดและการกำหนดค่าเตาเผา

หัวใจของการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์อยู่ในเตาต้านทานไฟฟ้า:

- การออกแบบ: เปลือกเหล็กรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีซับในความหนา 500–1,000 มม.

- อิเล็กโทรด: แท่งกราไฟท์ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 300–500 มม.) ให้กำลัง 100–200V DC

- ชุดประกอบหลัก: คาร์บอนแบล็กผสมกับสารยึดเกาะ 10% เป็นแกนนำไฟฟ้า

แบทช์การผลิตทั่วไปใช้:

ส่วนประกอบ	ปริมาณ	วัตถุประสงค์
ส่วนผสมsio₂/c	50–100 ตัน	มวลปฏิกิริยา
สารเติมแต่งเกลือ	1–2 ตัน	เอเจนต์ฟลักซ์
ขี้เลื่อย	3–5 ตัน	การควบคุมรูพรุน

3. ปฏิกิริยาอุณหภูมิสูง

การลดความร้อนจากคาร์บิ

1. การอุ่น (0–1,800 ° C): 12–18 ชั่วโมงเพื่อขับรถออก

2. เฟสปฏิกิริยา (2,100–2,500 ° C):

SIO ₂+3C → SIC +2CO ↑

CO CO Gas Emission Peaks ที่ 2.5 ตันต่อชุด

3. การเจริญเติบโตของคริสตัล (2,500–2,700 ° C): เกล็ดเลือดหกเหลี่ยมα-SIC

ระบบถ่ายภาพความร้อนขั้นสูงตรวจสอบการไล่ระดับอุณหภูมิภายใน± 25 ° C

4. การระบายความร้อนและการสกัด

การจัดการหลังปฏิกิริยาต้องมีความแม่นยำ:

- การควบคุมการระบายความร้อน: การล้างไนโตรเจนเร่งการระบายความร้อนเป็น 5-7 วัน

- การสกัดแบบ Zonal: Boule มีภูมิภาคที่แตกต่างกัน:

- แกนชั้นใน: SIC สีเขียวที่มีความบริสุทธิ์สูง (MOHS 9.5)

- ชั้นกลาง: SIC สีดำที่มีคาร์บอนฟรี 1-3%

- เปลือกนอก: วัสดุที่ไม่ทำปฏิกิริยา (15–25% ของมวลรวม)

5. การบดและการให้คะแนน

สายการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ทันสมัยใช้:

- HPGR crushers: ม้วนการบดแรงดันสูงลดการใช้พลังงาน 30% เทียบกับการบดกราม

- การจำแนกอากาศ: บรรลุการกระจายขนาดอนุภาคของ:

- ปลายข้าวหยาบ: 12–240 ตาข่าย (1,680–53 μm)

- ผงไมครอน: D97 ≤ 10 μm

6. การควบคุมการบริสุทธิ์และการควบคุมคุณภาพ

หลังการประมวลผลทำให้มั่นใจได้ถึงความสอดคล้องของวัสดุ:

- การชะล้างกรด:

- กรดไฮโดรฟลูออริก (5–15%) ลบSio₂

- กรดซัลฟูริก (20%) กำจัดสิ่งสกปรกโลหะ

- เลเซอร์การเลี้ยวเบน: ตรวจสอบการกระจายขนาดอนุภาค

-การวิเคราะห์ XRD: ยืนยันเนื้อหาβ-SIC <0.5% ในผลิตภัณฑ์α-SIC

เทคนิคการผลิตขั้นสูง

การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT)

SIC เกรดเซมิคอนดักเตอร์ต้องการการเติบโตเป็นพิเศษ:

1. การเตรียมเมล็ดพันธุ์: เวเฟอร์ 4H-SIC ขัดกับ RA <0.2nm

2. พารามิเตอร์การเจริญเติบโต:

- การไล่ระดับอุณหภูมิ: 15–25 ° C/cm

- ความดัน: 5–50 mbar

3. การบรรเทาข้อบกพร่อง:

- ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนของระนาบพื้นฐาน: <100 cm²

- ข้อบกพร่องของ micropipe: กำจัดในเวเฟอร์ 150 มม. ที่ทันสมัย

การสะสมไอสารเคมี (CVD)

สำหรับแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน:

สารตั้งต้นก๊าซ:

- ซิลิคอนที่มา: SIH₄ (5–10% ในH₂)

- แหล่งที่มาของคาร์บอน: C₃h₈หรือCh₃sicl₃

อัตราการเติบโต:

- การเจริญเติบโตจำนวนมาก: 0.3–1.0 มม./ชม.

- เลเยอร์ epitaxial: 10–50 μm/ชม.

โพสต์การประมวลผลและการสร้าง

การสร้างเทคโนโลยี

การสร้าง ความหนาแน่น	ของความดัน	ทำได้สำเร็จ	การใช้งาน
กดแห้ง	50–200 MPa	60–75% TD	อิฐทนไฟ
isostatic เย็น	200–400 MPa	75–85% TD	กระเบื้องเกราะ
การฉีดขึ้นรูป	70–150 MPa	55–65% TD	รูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน

ความก้าวหน้าในการเผา

นวัตกรรมในการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์รวมถึง:

การเผาโซลิดสเตต:

- สารเติมแต่ง: B₄C + C (0.5–2.0%)

- อุณหภูมิ: 2,100–2,200 ° C

การเผาเฟสของเหลว:

- ฟลักซ์Al₂o₃-y₂o₃เปิดใช้งานความหนาแน่นที่ 1,850–1,950 ° C

แอปพลิเคชันอุตสาหกรรม

ข้อกำหนดเฉพาะภาค

กรณีศึกษา: อินเวอร์เตอร์รุ่น 3 ของ Tesla ใช้ MOSFETs 24 SIC ลดการสูญเสียพลังงาน 75% เมื่อเทียบกับ SI IGBTS

การพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจ

การเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน

สิ่งอำนวยความสะดวกการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ที่ทันสมัยใช้:

- การกู้คืนความร้อนของเสีย: 40–50% ของความร้อนเตาที่แปลงเป็นพลังงานไอน้ำ

- เตาเผา DC ARC: ลดการใช้พลังงานเป็น 6-8 kWh/kg

ความคิดริเริ่มการรีไซเคิล

ระบบวงปิดการกู้คืน:

- 92–95% ของกรวดขัดผ่านการแยก hydrocyclone

- 70% Furnace Off-Gas CO สำหรับการสังเคราะห์เมทานอล

แนวโน้มในอนาคตในการผลิต SIC

1. การเติบโตของคริสตัลที่ใหญ่ขึ้น: การผลิตเวเฟอร์ 200 มม. ภายในปี 2569

2. การผลิตสารเติมแต่ง: สารยึดเกาะของส่วนประกอบ SIC ที่มีความหนาแน่น 99.3%

3. การรวม AI: การเรียนรู้ของเครื่องทำนายพารามิเตอร์เตาเผาที่ดีที่สุดด้วยความแม่นยำ 94%

บทสรุป

กระบวนการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ผสมผสานหลักการเก่าแก่มาหลายศตวรรษเข้ากับนวัตกรรมที่ทันสมัย ในขณะที่กระบวนการ ACHESON ยังคงโดดเด่นสำหรับการผลิตจำนวนมาก PVT และ CVD เปิดใช้งานแอพพลิเคชั่นขั้นสูงในอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน ความก้าวหน้าในอนาคตในการออกแบบเตาหลอมการรีไซเคิลและการทำให้เป็นดิจิตอลจะช่วยเสริมบทบาทของ SIC ให้เป็นวัสดุสำคัญสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงด้วยตลาด SIC ทั่วโลกที่คาดว่าจะถึง 10.6 พันล้านเหรียญสหรัฐภายในปี 2571

คำถามที่พบบ่อย

1. เหตุใดกระบวนการ Acheson จึงใช้ขี้เลื่อย?

ขี้เลื่อยเผาไหม้ในระหว่างการทำความร้อนสร้างช่องทางหลบหนีของก๊าซที่ป้องกันการสะสมแรงดันและปรับปรุงความสม่ำเสมอของปฏิกิริยา

2. ความบริสุทธิ์ทั่วไปของ Acheson-process sic คืออะไร?

เกรดเชิงพาณิชย์ถึงความบริสุทธิ์ 98–99.5% ในขณะที่ตัวแปรที่ล้างกรดเกิน 99.9%

3. วงจรการผลิตเต็มรูปแบบใช้เวลานานแค่ไหน?

จากวัตถุดิบถึงผงสุดท้าย: 15–20 วัน (รวมถึงการระบายความร้อน 7-10 วัน)

4. SIC สามารถรีไซเคิลได้หรือไม่?

ใช่ - มากถึง 40% ของขยะล้อบดถูกเรียกคืนผ่านการบดและการแยกแม่เหล็ก

5. เหตุใด CVD จึงเป็นที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์?

CVD บรรลุความหนาแน่นของข้อบกพร่อง <1 CM⊃2; เมื่อเทียบกับ10⊃3; –10⁴ CM⊃2; ในคริสตัล PVT

การอ้างอิง:

[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/comprehensive-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-making-process-flow.html

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

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

[9] https://kindle-tech.com/faqs/how-do-you-process-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-fesi-process/

[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

[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-bright-future/