Các bước chính trong quy trình sản xuất cacbua silicon là gì?

Menu nội dung

● Tổng quan về phương pháp sản xuất cacbua silicon

● Quy trình Acheson: Sự cố từng bước

>> 1. Chuẩn bị nguyên liệu thô

>> 2. Tải và cấu hình lò

>> 3. Phản ứng nhiệt độ cao

>> 4. Làm mát và chiết xuất

>> 5. Đào và chấm điểm

>> 6. Tinh chế và kiểm soát chất lượng

● Kỹ thuật sản xuất nâng cao

>> Vận chuyển hơi vật lý (PVT)

>> Lắng đọng hơi hóa học (CVD)

● Xử lý hậu kỳ và định hình

>> Hình thành công nghệ

>> Những tiến bộ thiêu kết

● Ứng dụng công nghiệp

>> Yêu cầu cụ thể theo ngành

● Cân nhắc về môi trường và kinh tế

>> Tối ưu hóa năng lượng

>> Các sáng kiến ​​tái chế

● Xu hướng trong tương lai trong sản xuất SIC

● Phần kết luận

● Câu hỏi thường gặp

>> 1. Tại sao quá trình Acheson sử dụng mùn cưa?

>> 2

>> 3. Chu kỳ sản xuất đầy đủ mất bao lâu?

>> 4 .. sic có thể được tái chế không?

>> 5. Tại sao CVD được ưa thích cho thiết bị điện tử?

● Trích dẫn:

Carbide silicon (SIC) đã trở nên không thể thiếu trong các ngành công nghiệp từ hàng không vũ trụ đến chất bán dẫn do độ cứng cực độ, độ ổn định nhiệt và kháng hóa chất. Bài viết này tìm hiểu các phương pháp sản xuất công nghiệp, tập trung vào quá trình Acheson, đồng thời bao gồm các kỹ thuật tiên tiến như vận chuyển hơi vật lý (PVT) và lắng đọng hơi hóa học (CVD).

Tổng quan về phương pháp sản xuất cacbua silicon

Hai phương pháp chính thống trị SIC Sản xuất:

1. Quá trình Acheson: Phương pháp truyền thống, quy mô lớn để sản xuất sic cấp độ mài mòn.

2. Vận chuyển hơi vật lý (PVT): Được sử dụng cho các tinh thể đơn tinh khiết cao trong thiết bị điện tử.

3. Lấy diện tích hơi hóa học (CVD): Chuyên cho các ứng dụng bán dẫn màng mỏng.

Bài viết này tập trung vào quá trình Acheson, chiếm hơn 90% sản xuất SIC công nghiệp.

Quy trình Acheson: Sự cố từng bước

1. Chuẩn bị nguyên liệu thô

Quá trình sản xuất cacbua silicon bắt đầu bằng lựa chọn nguyên liệu thô tỉ mỉ:

- Cát silica: có nguồn gốc từ tiền gửi thạch anh, đòi hỏi độ tinh khiết ≥99,5% SiO₂.

- Nguồn carbon: Coke Dầu khí (ưa thích cho hàm lượng tro thấp) hoặc than anthracite.

- Phụ gia:

- Sawdust (5 trận10% theo trọng lượng) để tạo ra các kênh thoát khí.

- Natri clorua (2 Ném3%) làm giảm nhiệt độ phản ứng từ 2.600 ° C xuống 2.400 ° C.

Các cơ sở hiện đại sử dụng quang phổ phân tích do laser gây ra (LIBS) để phân tích thành phần thời gian thực của nguyên liệu thô.

2. Tải và cấu hình lò

Trái tim của sản xuất cacbua silicon nằm trong lò điện áp:

- Thiết kế: Vỏ thép hình chữ nhật với lớp lót chịu lửa dày 5001.000mm.

- Điện cực: Thanh than chì (đường kính 300 Lỗi500mm) cung cấp 100 nguồn200V DC.

- Lắp ráp lõi: Black carbon trộn với 10% chất kết dính tạo thành lõi dẫn điện.

Một lô sản xuất điển hình sử dụng:

thành phần	số lượng	Mục đích
Hỗn hợp sio₂/c	50 trận100 tấn	Khối lượng phản ứng
Phụ gia muối	1 trận2 tấn	Đại lý thông lượng
Sawdust	3 trận5 tấn	Kiểm soát độ xốp

3. Phản ứng nhiệt độ cao

Việc giảm carbothermal xảy ra theo ba giai đoạn:

1. Làm nóng trước (0 Ném1.800 ° C): 12 giờ18 giờ để lái xe ra khỏi các chất bay hơi.

2. Pha phản ứng (2.100 Hàng2.500 ° C):

SIO ₂+3C → SIC +2CO

CO phát xạ khí ở mức 2,5 tấn mỗi đợt.

3. Tăng trưởng tinh thể (2.500 Hàng2.700 ° C): hình thành tiểu cầu hình lục giác α-SIC.

Hệ thống hình ảnh nhiệt tiên tiến theo dõi độ dốc nhiệt độ trong phạm vi ± 25 ° C.

4. Làm mát và chiết xuất

Xử lý sau phản ứng đòi hỏi độ chính xác:

- Làm mát có kiểm soát: Thanh lọc nitơ tăng tốc làm mát đến 5 ngày7.

- Khai thác Zonal: Boule chứa các vùng riêng biệt:

- Lõi bên trong: SIC xanh tinh khiết cao (MOHS 9.5).

- Lớp giữa: SIC đen với carbon miễn phí 1 trận3%.

- Lớp vỏ bên ngoài: Vật liệu không phản ứng (15 Hàng25% tổng khối lượng).

5. Đào và chấm điểm

Dây chuyền sản xuất cacbua silicon hiện đại sử dụng:

- Máy nghiền HPGR: Cuộn mài áp suất cao làm giảm việc sử dụng năng lượng bằng 30% so với máy nghiền hàm.

- Phân loại không khí: đạt được phân phối kích thước hạt của:

- GRITS thô: 12 Lưới240 (1.680 Mạnh53 m).

- Bột micron: D97 10 μm.

6. Tinh chế và kiểm soát chất lượng

Hậu xử lý đảm bảo tính nhất quán vật chất:

- Lò hạc axit:

- Axit hydrofluoric (5 Hàng15%) loại bỏ sio₂.

- Axit sunfuric (20%) loại bỏ tạp chất kim loại.

- Nhiễu xạ laser: Xác minh phân phối kích thước hạt.

-Phân tích XRD: Xác nhận nội dung-SIC <0,5% trong các sản phẩm α-SiC.

Kỹ thuật sản xuất nâng cao

Vận chuyển hơi vật lý (PVT)

SIC cấp bán dẫn yêu cầu tăng trưởng chuyên ngành:

1. Chuẩn bị hạt giống: wafer 4H-SIC được đánh bóng thành ra <0,2nm.

2. Thông số tăng trưởng:

- Độ dốc nhiệt độ: 15 Ném25 ° C/cm.

- Áp lực: 5 trận50 mbar.

3. Giảm thiểu khiếm khuyết:

- Mật độ trật khớp mặt phẳng cơ bản: <100 cm⊃2 ;.

- Khiếm khuyết micropipe: bị loại bỏ trong các tấm vải 150mm hiện đại.

Lắng đọng hơi hóa học (CVD)

Đối với các ứng dụng điện tử Power:

Khí tiền thân:

- Nguồn silicon: SIH₄ (5 trận10% trong H₂).

- Nguồn carbon: C₃H₈ hoặc ch₃sicl₃.

Tốc độ tăng trưởng:

- Tăng trưởng số lượng lớn: 0,3 Hàng1,0 mm/giờ.

- Các lớp epiticular: 10 Hàng50 μm/giờ.

Xử lý hậu kỳ và định hình

Hình thành công nghệ

phương pháp mật độ	áp lực	đạt được	các ứng dụng
Phúc khô	50 MP200 MPa	60 trận75% TD	Gạch chịu lửa
Lạnh	200 MP400 MPa	75 Hàng85% TD	Gạch áo giáp
Đúc phun	70 Mạnh150 MPa	55 bóng65% TD	Hình học phức tạp

Những tiến bộ thiêu kết

Những đổi mới trong sản xuất cacbua silicon bao gồm:

Thiêu kết trạng thái rắn:

- Phụ gia: B₄C + C (0,5 Hàng2.0%).

- Nhiệt độ: 2.100 Hàng2.200 ° C.

Thiêu kết pha lỏng:

- Al₂o₃-Y₂o₃ Các thông lượng cho phép mật độ ở mức 1.8501,950 ° C.

Ứng dụng công nghiệp

Yêu cầu cụ thể theo ngành

Nghiên cứu trường hợp: Biến tần Model 3 của Tesla sử dụng 24 MOSFET SIC, giảm 75% tổn thất năng lượng so với SI IGBTS.

Cân nhắc về môi trường và kinh tế

Tối ưu hóa năng lượng

Các cơ sở sản xuất carbide silicon hiện đại Thực hiện:

- Phục hồi nhiệt chất thải: 40 Hàng50% nhiệt của lò được chuyển đổi thành năng lượng hơi nước.

- Lò hồ quang DC: Giảm mức tiêu thụ năng lượng xuống còn 6 trận8 kWh/kg.

Các sáng kiến ​​tái chế

Hệ thống vòng kín phục hồi:

- 92 Vang95% của grit mài mòn thông qua việc tách hydrocyclone.

- 70% Lò ngoài khí CO cho tổng hợp metanol.

Xu hướng trong tương lai trong sản xuất SIC

1. Tăng trưởng tinh thể lớn hơn: Sản xuất wafer 200mm vào năm 2026.

2. Sản xuất phụ gia: Chất kết dính của các thành phần SIC với mật độ 99,3%.

3. Tích hợp AI: Học máy dự đoán các tham số lò tối ưu với độ chính xác 94%.

Phần kết luận

Quá trình sản xuất carbide silicon kết hợp các nguyên tắc thế kỷ cũ với những đổi mới tiên tiến. Trong khi quá trình Acheson vẫn chiếm ưu thế đối với sản xuất số lượng lớn, PVT và CVD cho phép các ứng dụng nâng cao trong điện tử công suất. Những tiến bộ trong tương lai trong thiết kế lò, tái chế và số hóa sẽ củng cố thêm vai trò của SIC như một vật liệu quan trọng cho môi trường khắc nghiệt, với thị trường SIC toàn cầu dự kiến ​​sẽ đạt 10,6 tỷ đô la vào năm 2028.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao quá trình Acheson sử dụng mùn cưa?

Sawdust bị bỏng trong quá trình sưởi ấm, tạo ra các kênh thoát khí ngăn chặn sự tích tụ áp lực và cải thiện tính đồng nhất phản ứng.

2

Các lớp thương mại đạt đến độ tinh khiết 98 99,5%, trong khi các biến thể được rửa bằng axit vượt quá 99,9%.

3. Chu kỳ sản xuất đầy đủ mất bao lâu?

Từ nguyên liệu thô đến bột cuối cùng: 15 trận20 ngày (bao gồm 7 ngày10 ngày làm mát).

4 .. sic có thể được tái chế không?

Có - tối đa 40% chất thải bánh xe được khai hoang thông qua việc nghiền nát và tách từ tính.

5. Tại sao CVD được ưa thích cho thiết bị điện tử?

CVD đạt được mật độ khiếm khuyết <1 cm² so với 10⊃3; trong tinh thể PVT.

Trích dẫn:

[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-of-black-silicon-carbide.html

.

[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-f

[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

.