Які ключові кроки в процесі виробництва карбіду кремнію?

Меню вмісту

● Огляд методів виробництва карбіду кремнію

● Процес Acheson: покрокова поломка

>> 1. Підготовка сировини

>> 2. Завантаження та конфігурація печі

>> 3. Реакція з високою температурою

>> 4. Охолодження та видобуток

>> 5. Дроблення та оцінка

>> 6. Очищення та контроль якості

● Розширені методи виготовлення

>> Фізичний транспорт пари (ПВТ)

>> Хімічне осадження пари (CVD)

● Післяобробка та формування

>> Формування технологій

>> Спікання прогресу

● Промислові програми

>> Вимоги, що стосуються сектору

● Екологічні та економічні міркування

>> Оптимізація енергії

>> Ініціативи переробки

● Майбутні тенденції у виробництві SIC

● Висновок

● Поширені запитання

>> 1. Чому процес Acheson використовує тирсу?

>> 2. Яка типова чистота ACHESON-Process SIC?

>> 3. Скільки часу триває повний виробничий цикл?

>> 4. Чи можна переробити SIC?

>> 5. Чому CVD віддає перевагу електроніці?

● Цитати:

Карбід кремнію (SIC) став незамінним у різних галузях, починаючи від аерокосмічної до напівпровідників завдяки його надзвичайній твердності, термічній стійкості та хімічній стійкості. У цій статті досліджуються методи промислового виробництва, зосереджуючись на процесі Acheson, а також висвітлюють передові методи, такі як фізичний транспорт пари (ПВТ) та хімічне осадження пари (CVD).

Огляд методів виробництва карбіду кремнію

Два основні методи домінують у виробництві SIC:

1. Ахесонський процес: традиційний масштабний метод вироблення абразивного класу SIC.

2. Фізичний транспорт пари (ПВТ): використовується для монокристалів високої чистоти в електроніці.

3. Хімічне осадження пари (CVD): Спеціалізований для застосування напівпровідників тонкого фільму.

Ця стаття зосереджена на процесі Acheson, який припадає на понад 90% промислового виробництва SIC.

Процес Acheson: покрокова поломка

1. Підготовка сировини

Процес виробництва карбіду кремнію починається з ретельного вибору сировини:

- Силікатне пісок: отриманий з кварцових родовищ, що вимагає ≥99,5% чистоти.

- Вуглецеві джерела: нафтовий кокс (бажаний для низького вмісту золи) або антрацитове вугілля.

- добавки:

- пила (5–10% у вазі) для створення каналів викиду газу.

- Хлорид натрію (2–3%) знижує температуру реакції від 2600 ° С до 2400 ° С.

Сучасні засоби використовують лазерну спектроскопію розбиття (LIBS) для аналізу складання сировини в режимі реального часу.

2. Завантаження та конфігурація печі

Серце виробництва карбіду кремнію лежить у печі електричного опору:

- Дизайн: прямокутна сталева оболонка з вогнетривкою оболонкою товщиною 500–1 000 мм.

- Електроди: графітові стрижні (діаметр 300–500 мм) доставляють потужність 100–200 В постійного струму.

- Основна збірка: вуглець, змішаний з 10% палицевим утворенням струмового ядра.

Типова виробнича партія використовує:

компонентів	кількості	Ціль
Суміш Sio₂/c	50–100 тонн	Реакційна маса
Соляна добавка	1–2 тонни	Флюсовий агент
Тирс	3–5 тонн	Контроль пористості

3. Реакція з високою температурою

Карботермальне зниження відбувається в три фази:

1. Попереднє нагрівання (0–1 800 ° C): 12–18 годин, щоб виїхати з летючих речовин.

2. Фаза реакції (2100–2 500 ° C):

SIO ₂+3C → SIC +2CO ↑

Піки викидів газу на 2,5 тонни за партію.

3. Зростання кристалів (2500–2,700 ° C): утворюється α-SIC шестикутна тромбоцит.

Розширені теплові системи моніторингу температурних градієнтів температури в межах ± 25 ° C.

4. Охолодження та видобуток

Поводження після реакції вимагає точності:

- Контрольоване охолодження: очищення азоту прискорює охолодження до 5–7 днів.

- Зональний видобуток: булька містить різні області:

- Внутрішнє ядро: Зелений SIC з високою чистотою (MOHS 9.5).

- Середній шар: Чорний SIC з 1–3% вільним вуглецем.

- Зовнішня скоринка: прореагував матеріал (15–25% від загальної маси).

5. Дроблення та оцінка

Сучасні виробничі лінії карбіду кремнію використовують:

- Дробарки HPGR: шліфувальні рулони високого тиску зменшують використання енергії на 30% проти щелепи.

- Класифікація повітря: досягає розподілу розміру частинок:

- Груба крупа: 12–240 сітки (1680–53 мкм).

- Micron Powerders: D97 ≤ 10 мкм.

6. Очищення та контроль якості

Пост-обробка забезпечує матеріальну узгодженість:

- кислотне вилуговування:

- Гідрофторна кислота (5–15%) видаляє Sio₂.

- сірчана кислота (20%) усуває металеві домішки.

- Лазерна дифракція: перевіряє розподіл розміру частинок.

-XRD-аналіз: підтверджує вміст β-SIC <0,5% у продуктах α-SIC.

Розширені методи виготовлення

Фізичний транспорт пари (ПВТ)

Напівпровідниковий клас SIC вимагає спеціалізованого зростання:

1. Підготовка насіння: 4H-SIC Вафлі відшліфовані до РА <0,2 нм.

2. Параметри росту:

- Градієнт температури: 15–25 ° С/см.

- Тиск: 5–50 мбар.

3. Пом'якшення дефектів:

- щільність дислокації базальної площини: <100 см⊃2;.

- Дефекти мікропії: усунуті в сучасних 150 -мм вафлях.

Хімічне осадження пари (CVD)

Для додатків електроніки:

Гази попередника:

- Силіконове джерело: SIH₄ (5–10% у H₂).

- Джерело вуглецю: C₃h₈ або Ch₃sicl₃.

Темпи зростання:

- Об'ємний ріст: 0,3–1,0 мм/год.

- Епітаксіальні шари: 10–50 мкм/год.

Післяобробка та формування

Формування технологій

Метод	тиску	щільність	досягнута
Сухе пресування	50–200 МПа	60–75% ТД	Вогнетривка цегла
Холодний ізостатичний	200–400 МПа	75–85% ТД	Броняні плитки
Підприємство для ін'єкцій	70–150 МПа	55–65% ТД	Складні геометрії

Спікання прогресу

Інновації у виробництві карбіду кремнію включають:

Суцільне спікання:

- добавки: b₄c + c (0,5–2,0%).

- Температура: 2100–2 200 ° C.

Рідкофазна спікання:

- Потіки al₂o₃-y₂o₃ дозволяють ущільнити при 1850–1,950 ° C.

Промислові програми

Вимоги, що стосуються сектору

Тематичне дослідження: Інвертор моделі 3 Tesla використовує 24 SIC MOSFET, зменшуючи втрати потужності на 75% порівняно з Si IGBT.

Екологічні та економічні міркування

Оптимізація енергії

Сучасні виробничі потужності кремнію в реалізації:

- Відновлення тепла: 40–50% тепла печі, перетвореної на парову потужність.

- Печі дуги постійного струму: зменшити споживання енергії до 6–8 кВт/год/кг.

Ініціативи переробки

Системи із закритим циклом Відновлення:

- 92–95% абразивної крупи через розділення гідроциклону.

- 70% печі поза газовим співробітником для синтезу метанолу.

Майбутні тенденції у виробництві SIC

1. Більший ріст кристалів: 200 мм вироблення вафель до 2026 року.

2. Виробництво добавок: сполучний струменя компонентів SIC з 99,3% щільністю.

3. Інтеграція AI: Машинне навчання передбачає оптимальні параметри печі з 94% точності.

Висновок

Процес виробництва карбіду кремнію поєднує багатовікові принципи з передовими інноваціями. Незважаючи на те, що процес Acheson залишається домінуючим для об'ємного виробництва, PVT та CVD дозволяють вдосконалені програми в електроніці. Майбутні досягнення в розробці печей, переробки та оцифрування додатково зміцнюють роль SIC як критичного матеріалу для екстремальних умов, при цьому глобальний ринок SIC до 2028 року досягне 10,6 мільярдів доларів.

Поширені запитання

1. Чому процес Acheson використовує тирсу?

Опіки пилки під час опалення, створюючи канали викиду газу, які запобігають накопиченню тиску та покращують рівномірність реакції.

2. Яка типова чистота ACHESON-Process SIC?

Комерційні оцінки досягають чистоти 98–99,5%, а варіанти промитого кислотою перевищують 99,9%.

3. Скільки часу триває повний виробничий цикл?

Від сировини до остаточного порошку: 15–20 днів (включаючи 7–10 днів охолодження).

4. Чи можна переробити SIC?

Так - до 40% відходів шліфувального колеса відновлюються за допомогою подрібнення та магнітного розділення.

5. Чому CVD віддає перевагу електроніці?

CVD досягає щільності дефектів <1 CM⊃2; проти 10⊃3; –10⁴ cm² у кристалах ПВТ.

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/comprehence-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-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-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/rolo-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

.

[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/