Silicon cacbua được sản xuất như thế nào ở quy mô công nghiệp?

Menu nội dung

● Các nguyên tắc cơ bản của cacbua silicon

● Phương pháp sản xuất công nghiệp

>> 1. Quá trình Acheson

>> 2. Vận chuyển hơi vật lý (PVT)

>> 3. Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD)

● Những đổi mới hiện đại trong sản xuất khối lượng cacbua silicon

>> Tối ưu hóa quá trình điều khiển AI

>> Công nghệ lò lớn

>> Tái chế và bền vững

● Các ứng dụng của cacbua silicon sản xuất hàng loạt

● Những thách thức trong sản xuất quy mô công nghiệp

● Xu hướng tương lai

● Phần kết luận

● Câu hỏi thường gặp

>> 1. Tại sao cacbua silicon được ưa thích hơn silicon trong điện tử năng lượng?

>> 2. Mất bao lâu để phát triển một tinh thể sic duy nhất bằng PVT?

>> 3. Bao nhiêu phần trăm sản xuất SIC toàn cầu sử dụng quy trình Acheson?

>> 4 .. cacbua silicon có thể được tái chế không?

>> 5. Rào cản chính đối với việc áp dụng SIC rộng hơn trong chất bán dẫn là gì?

Carbide silicon (SIC) đã trở thành vật liệu nền tảng cho các ngành công nghiệp đòi hỏi độ bền cao, độ ổn định nhiệt và hiệu quả điện. Sản xuất hàng loạt của nó tận dụng các quy trình công nghiệp tiên tiến được tinh chỉnh trong nhiều thập kỷ, kết hợp tổng hợp nhiệt độ cao, kỹ thuật chính xác và tự động hóa tiên tiến. Bài viết này khám phá các phương pháp, thách thức và đổi mới Sản xuất khối lượng cacbua silicon , cung cấp cái nhìn sâu sắc về vai trò quan trọng của nó giữa các lĩnh vực như năng lượng, quốc phòng và sản xuất tiên tiến.

Các nguyên tắc cơ bản của cacbua silicon

Carbide silicon là một hợp chất tổng hợp của silicon và carbon, nổi tiếng với độ cứng đặc biệt của nó (9,5 MoHS), độ dẫn nhiệt (120 Nott490 W/M · K) và trơ hóa hóa học. Không giống như Moissanite tự nhiên, SIC công nghiệp được sản xuất tổng hợp để đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc và tinh khiết nghiêm ngặt.

Phương pháp sản xuất công nghiệp

1. Quá trình Acheson

Được phát triển vào năm 1891 bởi Edward Acheson, phương pháp này vẫn được sử dụng rộng rãi nhất để tổng hợp SIC số lượng lớn.

Các bước:

1. Chuẩn bị nguyên liệu thô: cát silica tinh khiết cao (SIO₂) và than cốc dầu khí (C) được trộn theo tỷ lệ 1: 3.

2. Lắp ráp lò: Hỗn hợp được nạp vào lò điện trở bằng than chì.

3. Pha phản ứng: nhiệt độ vượt quá 2.500 ° C kích hoạt phản ứng:

SIO ₂+3C → SIC +2CO

4. Làm mát & khai thác: Sau 36 giờ48 giờ, lò làm mát và các tinh thể sic thô được chiết xuất từ ​​lõi than chì.

8

Thuận lợi:

-Hiệu quả về chi phí cho đầu ra quy mô lớn.

- Thích hợp cho sic lớp mài mòn và luyện kim.

Hạn chế:

- Năng lượng mạnh mẽ (lên đến 12 MWh mỗi tấn).

- Độ tinh khiết hạn chế (95 Hàng98%) do các tạp chất còn lại như sắt và nhôm.

2. Vận chuyển hơi vật lý (PVT)

PVT chi phối việc sản xuất các tấm sic tinh thể đơn cho điện tử.

Các bước:

1. Sublimation: Bột sic được làm nóng đến ~ 2.400 ° C trong chân không, bốc hơi vào các khí Si, Si₂c và Sic₂.

2. Tăng trưởng tinh thể: hơi ngưng tụ trên tinh thể hạt lạnh hơn, tạo thành một thỏi đơn.

3. Xử lý wafer: Thôi được cắt thành các tấm wafer bằng cưa kim cương và được đánh bóng đến độ mịn của nano.

Thuận lợi:

-Sản xuất các tinh thể 4H-SIC và 6H-SIC cho các thiết bị năng lượng.

-Cho phép pha tạp (ví dụ: nitơ cho loại N, nhôm cho loại P).

Thử thách:

- Tốc độ tăng trưởng chậm (0,2 Hàng2 mm/giờ).

- Mật độ khiếm khuyết cao so với silicon.

3. Sự lắng đọng hơi hóa học (CVD)

CVD lắng đọng các lớp SIC cực kỳ pure vào chất nền như than chì hoặc silicon.

Các bước:

1. Giới thiệu về khí: silane (SIH₄) và metan (CH₄) được đưa vào buồng chân không.

2. Phân hủy nhiệt: Ở 1.200 Hàng1,600 ° C, khí phản ứng với hình thành SIC trên đế:

SIH ₄+CH ₄→ SIC +4H₂

3. Kiểm soát độ dày lớp: Thời gian xử lý xác định độ dày lớp phủ (1 Ném100 Pha).

Ứng dụng:

- Lớp phủ bảo vệ cho lưỡi tuabin.

- Chất nền gương cho kính viễn vọng không gian.

Những đổi mới hiện đại trong sản xuất khối lượng cacbua silicon

Tối ưu hóa quá trình điều khiển AI

- Kiểm soát nhiệt độ: Thuật toán học máy điều chỉnh các thông số lò trong thời gian thực, giảm 15%sử dụng năng lượng.

- Phát hiện khiếm khuyết: Hệ thống tầm nhìn máy tính xác định sự không hoàn hảo của tinh thể trong quá trình tăng trưởng PVT, cải thiện năng suất 30%.

Công nghệ lò lớn

- Tỷ lệ lò Acheson lên chiều dài 10 mét làm tăng sản lượng hàng loạt thêm 400%.

- Hệ thống sạc tự động làm giảm chi phí lao động và rủi ro ô nhiễm.

Tái chế và bền vững

- Phát thải CO từ các lò phản ứng Acheson được thu thập và chuyển đổi thành axit formic.

- Bùn sic từ cắt wafer được tái sử dụng cho các viên gạch chịu lửa.

Các ứng dụng của cacbua silicon sản xuất hàng loạt

Những thách thức trong sản xuất quy mô công nghiệp

1. Chi phí năng lượng: 60% chi phí sản xuất SIC xuất phát từ điện.

2. Khiếm khuyết tinh thể: trật khớp trong các tấm wafer được trồng PVT giới hạn sản lượng thiết bị.

3. Cung cấp than chì: 80% than chì tinh khiết cao đến từ Trung Quốc, tạo ra rủi ro chuỗi cung ứng.

Xu hướng tương lai

- Việc áp dụng wafer 8 inch: Chuyển từ các tấm wafer 150mm sang 200mm có thể cắt giảm chi phí chip xuống 35%.

- Epitax pha lỏng: Các kỹ thuật mới nổi hứa hẹn các lớp SIC không có khiếm khuyết ở 1.800 ° C.

Phần kết luận

Sản xuất khối lượng cacbua silicon đã phát triển từ các quy trình hàng loạt thủ công sang các hệ thống tự động cao có khả năng cung cấp cả hai megaton của grit mài mòn và các tấm wafer 200mm không khuyết tật. Khi năng lượng tái tạo và xe điện thúc đẩy nhu cầu, các nhà sản xuất đang đầu tư 4 tỷ đô la hàng năm để tinh chỉnh các kỹ thuật tăng trưởng tinh thể, áp dụng các công nghệ công nghiệp 4.0 và đảm bảo nguồn cung cấp nguyên liệu. Với sự kết hợp chưa từng có của các tính chất nhiệt, điện và cơ học, SIC đứng sẵn sàng cách mạng hóa các ngành công nghiệp từ điện toán lượng tử đến hàng không siêu âm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cacbua silicon được ưa thích hơn silicon trong điện tử năng lượng?

Bandgap rộng hơn của SIC (3,3 EV so với 1,1 eV) cho phép hoạt động ở nhiệt độ và điện áp cao hơn, giảm tới 70% trong bộ biến tần EV.

2. Mất bao lâu để phát triển một tinh thể sic duy nhất bằng PVT?

Một đại lộ 4H-SIC đường kính 150mm thường cần 7 ngày10 ngày tăng trưởng liên tục ở 2.200 ° C.

3. Bao nhiêu phần trăm sản xuất SIC toàn cầu sử dụng quy trình Acheson?

Khoảng 75% cấp độ mài mòn và 40% SIC cấp luyện kim dựa vào lò Acheson.

4 .. cacbua silicon có thể được tái chế không?

Có, có tới 90% bánh xe mài sic được tái chế thành vật liệu chịu lửa hoặc chất mài mòn đường thông qua việc nghiền nát và tách từ tính.

5. Rào cản chính đối với việc áp dụng SIC rộng hơn trong chất bán dẫn là gì?

Chi phí wafer vẫn cao hơn 5 lần8 lần so với silicon do tăng trưởng tinh thể phức tạp và năng suất thấp hơn, mặc dù giá giảm 15% mỗi năm.