碳化硅是如何以工业规模生产的？

内容菜单

● 碳化硅的基本面

● 工业制造方法

>> 1。艾克森过程

>> 2。物理蒸气运输（PVT）

>> 3。化学蒸气沉积（CVD）

● 碳化硅质量生产的现代创新

>> AI驱动过程优化

>> 大型炉技术

>> 回收和可持续性

● 大量生产碳化硅的应用

● 工业规模生产的挑战

● 未来趋势

● 结论

● 常问问题

>> 1。为什么在电力电子中，碳化硅比硅更喜欢？

>> 2。使用PVT种植单个SIC晶体需要多长时间？

>> 3。全球SIC生产中有多少百分比使用了ACHESON流程？

>> 4。碳化硅可以回收吗？

>> 5。在半导体中采用更广泛的SIC的主要障碍是什么？

碳化硅（SIC）已成为需要极高耐用性，热稳定性和电效率的行业的基石材料。它的批量生产利用了几十年来的高级工业流程，结合了高温合成，精确工程和尖端的自动化。本文探讨了驱动的方法，挑战和创新 硅碳化物的 质量生产，为在能源，国防和先进制造等领域提供了对其至关重要的作用的见解。

碳化硅的基本面

碳化硅是硅和碳的合成化合物，以其出色的硬度（9.5 MOHS），导热率（120-490 W/m·K）和化学惰性而闻名。与天然发生的Moissanite不同，工业SIC是合成生产的，以满足严格的纯度和结构要求。

工业制造方法

1。艾克森过程

这种方法于1891年由爱德华·阿奇森（Edward Acheson）于1891年开发，仍然是用于散装SIC合成的最广泛使用的方法。

步骤：

1。原材料制备：高纯度二氧化硅砂（Sio₂）和石油焦（C）以1：3的比例混合。

2。炉件组件：将混合物装入石墨衬里的电阻炉中。

3。反应阶段：超过2,500°C的温度触发反应：

SIO ₂+3C→SIC +2CO

4。冷却和提取：36-48小时后，从石墨芯中提取炉子冷却和粗sic晶体。

5。粉碎和分级：材料被粉碎并分类为磨砂膏，折射率或进一步加工的砂粒尺寸。

优点：

- 具有成本效益的大规模输出。

- 适用于磨料和冶金级SIC。

限制：

- 能量密集型（每吨高达12 MWH）。

- 由于铁和铝等残留杂质，纯度有限（95–98％）。

2。物理蒸气运输（PVT）

PVT主导着用于电子产品的单晶SIC晶圆。

步骤：

1。升华：SIC粉末在真空中加热至〜2,400°C，蒸发成Si，Si₂c和SiC₂气体。

2。晶体生长：在冷却较冷的种子晶体上浓缩蒸气，形成单晶锭。

3。晶圆加工：使用钻石锯将铸锭切成晶片，并抛光至纳米级光滑度。

优点：

- 为电源设备生产4H-SIC和6H-SIC晶体。

- 启用兴奋剂（例如，氮型的氮，P型的铝）。

挑战：

- 增长率缓慢（0.2-2 mm/小时）。

- 与硅相比高缺陷密度。

3。化学蒸气沉积（CVD）

CVD将超纯SIC层沉积在石墨或硅等基板上。

步骤：

1。气体简介：硅烷（Sih₄）和甲烷（CH₄）被送入真空室。

2。热分解：在1,200–1,600°C时，气体在基板上形成SIC：

SIH ₄+CH ₄→SIC +4H₂

3。层厚度控制：过程持续时间确定涂层厚度（1-100 µm）。

应用程序：

- 涡轮刀片的保护涂层。

- 太空望远镜的镜子基板。

碳化硅质量生产的现代创新

AI驱动过程优化

- 温度控制：机器学习算法实时调整炉子参数，将能源使用降低15％。

- 缺陷检测：计算机视觉系统确定PVT增长期间的晶体缺陷，将产量提高30％。

大型炉技术

- 将acheson炉缩放到10米长的长度可将批处理输出增加400％。

- 自动充电系统降低了人工成本和污染风险。

回收和可持续性

- 捕获来自acheson反应器的CO排放并转化为甲酸。

- 晶片切割中的SIC污泥被重新使用，以用于耐火砖。

大量生产碳化硅的应用

工业规模生产的挑战

1。能源成本：60％的SIC生产费用源于电力。

2。晶体缺陷：PVT生长的Wafers中的位错限制了设备的产量。

3。石墨供应：80％的高纯度石墨来自中国，造成供应链风险。

未来趋势

- 采用8英寸的晶圆：从150mm到200mm晶圆的过渡可能会将芯片成本降低35％。

- 液相外延：新兴技术有望在1,800°C下无缺陷的SIC层。

结论

碳化硅质量生产已经从手工批处理工艺发展为高度自动化的系统，能够交付磨碎的砂砾和无缺陷的200mm晶圆。随着可再生能源和电动汽车的需求，制造商每年投资40亿美元，以完善水晶增长技术，采用行业4.0技术并确保原材料供应。 SIC凭借其热，电气和机械性能的无与伦比的组合，有助于革新从量子计算到高超音速航空的行业。

常问问题

1。为什么在电力电子中，碳化硅比硅更喜欢？

SIC的更宽的带隙（3.3 eV vs. 1.1 eV）可以在更高的温度和电压下运行，从而在EV逆变器中降低了高达70％的能量损失。

2。使用PVT种植单个SIC晶体需要多长时间？

直径150mm的4H-SIC BOULE通常需要在2,200°C下连续生长7-10天。

3。全球SIC生产中有多少百分比使用了ACHESON流程？

大约75％的磨料级和40％的冶金级SIC依赖于acheson炉。

4。碳化硅可以回收吗？

是的，多达90％的SIC研磨轮通过压碎和磁分离将其回收为难治性材料或道路磨料。

5。在半导体中采用更广泛的SIC的主要障碍是什么？

晶圆成本由于复杂的晶体增长和较低的产量而比硅高5-8倍，尽管价格每年下跌15％。