内容菜单
● SIC生产的历史基础
● 碳化硅合成的原材料
● 工业生产过程
>> 阶段1：acheson炉反应
>> 阶段2：合成后处理
● 高级制造技术
>> 物理蒸气运输（PVT）
>> 化学蒸气沉积（CVD）
● 部门的工业应用
● 生产挑战和解决方案
>> 降低成本策略
● SIC生产的未来趋势
>> 较大的晶体生长
>> 增材制造
>> 可持续生产
● 结论
● 常见问题解答
>> 问题1：为什么acheson过程在SIC生产中仍然占主导地位？
>> Q2：制造商如何控制生产过程中的晶体结构？
>> 问题3：SIC制造的环境影响是什么？
>> 问题4：碳化硅可以打印3D吗？
>> Q5完整的生产周期需要多长时间？
● 引用：
碳化硅（SIC）在现代工业中变得必不可少。 由于其极端硬度（9.5 MOHS），热稳定性（高达1,650°C）和耐化学性，这种合成的陶瓷材料功能范围从防弹装甲到电动电动电子设备。其工业采用的核心是通过数十年的创新进行了一个百年历史的制造过程。
SIC生产的历史基础
爱德华·阿切森（Edward Acheson）的偶然发现
1891年，在尝试钻石合成时，爱德华·阿奇森（Edward Acheson）通过电加热粘土和碳创建了碳化硅。这个偶然的实验导致了获得专利的acheson流程，这是全球SIC生产的80％。尼亚加拉瀑布（Niagara Falls）（1893）附近的第一家商业植物利用水力发电来达到所需的极端温度。
制造技术的发展
到1920年代，使用难治砖改善炉绝缘，提高了能源效率40％。 1950年代，高纯度晶体的LELY过程的兴起，实现了半导体应用。如今，每年生产超过600公斤的SIC，中国占全球产出的70％。
碳化硅合成的原材料
碳化硅的生产需要三个核心组成部分：
| 物质 |
角色 |
典型来源 |
纯度要求 |
| 二氧化硅（Sio₂） |
硅捐赠者 |
石英沙，稻壳灰 |
> 98.5％Sio₂ |
| 碳（C） |
还原剂 |
石油焦炭，无烟煤煤炭 |
低灰分含量 |
| 添加剂 |
过程优化 |
木屑，氯化钠 |
受控比例 |
木芯片在反应过程中产生气体逃生通道，而NACL将反应温度降低200-300°C。回收的SIC废料（最高30％）降低了原材料成本。
物质准备创新
现代植物使用激光分类去除原材料中的杂质，达到99.8％的原料纯度。晚期干燥系统将水分含量降低到<0.1％，可防止高温加工期间的蒸汽爆炸。
工业生产过程
阶段1：acheson炉反应
1。充电准备
- 混合二氧化硅砂（55-60％），石油焦（35-40％）和5％添加剂
- 通过在30 rpm的旋转混合器中实现均匀的混合
- 粒度分布：100-200μm之间的80％
2。高温合成
- 将50吨的混合物装入15m×4m矩形炉中
- 通过石墨电极（电阻加热）应用10,000-12,000A电流
- 温度梯度：
- 电极芯：2,500°C
- 外区域：1,800-2,000°C
3。晶体生长动力学
- 径向β-SIC晶体周围形成电极（立方结构）
- 外部区域开发α-SIC（六边形），晶粒尺寸为50-200μm
- 冷却阶段：24小时控制下降至800°C
阶段2：合成后处理
压碎和铣削
- 初级压碎：液压钳口碎剂将Boules降低到<50mm的块
- 次级铣削：碳化碳化物球厂达到10-500μm颗粒
高级技术：
- 亚微米粉的喷气铣削（0.1-1μm）
- 在-196°C下的低温研磨可防止热降解
化学纯化
| 过程 |
参数 |
效应 |
| 酸浸 |
15％HF + 20％HNO₃，80°C，2H |
删除FE，AL，CA杂质 |
| 碱洗 |
10％NaOH，60°C，1H |
溶解残留硅 |
| 浮选 |
气流2M⊃3;/min |
将SIC（密度3.21 g/cm³）与石墨分开 |
分类技术
- 激光衍射分析仪对±0.5μm精度排序颗粒
- 静电分离去除非导电污染物
最终产品等级：
- 粗砂（8-220网格）：生产的65％
- 微型油（0.1-10μm）：25％
-Nanocrystalline（<100nm）：10％
高级制造技术
物理蒸气运输（PVT）
生长电子产品的高纯度单晶：
1。在10°Mbar真空下2,300°C下的SIC源材料升华
2。将蒸气转移到种子晶体（4H-SIC方向）
3。直径为0.2-0.5mm/小时的直径100-150mm boules
4。达到<10⊃3; cm²微管密度
化学蒸气沉积（CVD）
产生超纯的外延层：
- 前体：sih₄（100 sccm） +c₃h₈（50 SCCM）
生长条件：
- 温度：1,500-1,800°C
- 压力：100-200 mbar
- 增长率：10-50μm/小时
应用程序：
-1.2KV MOSFET的10μm厚度层
-10KV IGBTS的100μm层
部门的工业应用
能源和电力电子产品
- 特斯拉3型牵引逆变器使用48个SIC MOSFET，将损失降低75％
-3300V SIC模块可实现99％的太阳逆变器效率
高级装甲系统
-B₄C-SIC复合材料（70％SIC）停止14.5毫米API弹，以18kg/m²面积密度
航空航天组件
- GE9X发动机使用SIC/SIC CMC涡轮罩，将冷却空气降低30％
半导体制造
-200mm sic晶圆，<10⊃3; cm² 缺陷密度（Wolfspeed 2024路线图）
-5G基站使用Gan-On-SIC RF芯片（3-6GHz操作）
生产挑战和解决方案
| 挑战 |
行业解决方案 |
经济影响 |
| 能量强度（30MWH/吨） |
DC弧熔炉降低40％ |
每个炉每年节省120万美元 |
| CO排放（1.2吨/吨SIC） |
等离子辅助CO→CO₂转化（效率95％） |
符合欧盟ETS标准 |
| 晶体缺陷 |
AI驱动的热轮廓优化 |
将废料率从15％降低到4％ |
降低成本策略
- 再生冶金硅（最高50％）削减材料成本
- 连续熔炉增加吞吐量增加3×vs批处理处理
SIC生产的未来趋势
较大的晶体生长
-300mm晶圆原型显示（II-VI Incorporated，2023）
- 带有多区域加热的修改PVT系统达到200mm boules
增材制造
用SIC粉喷射粘合剂：
- 层厚度：50μm
- 烧结：2,100°C氩气气氛
应用程序：
- 火箭推室（Surmet Corp）
- 核燃料覆层
可持续生产
-Co₂捕获系统将排放转换为碳酸氢钠
- 正在开发的太阳能热achon炉（NREL飞行员2026）
结论
碳化硅的生产已从Acheson的原始炉子演变为产生200mm单晶的自动化工厂。随着行业要求更高的纯度（半导体为99.9995％）和成本较低（$ 500/m⊃2；晶圆目标），将传统碳热降低与高级蒸气沉积相结合的混合方法将主导下一代生产。随着全球SIC市场预计到2030年将达到10B美元，持续过程创新仍然至关重要。诸如AI优化的晶体生长和太阳能合成的新兴技术有望使SIC生产更加有效和可持续。
常见问题解答
问题1：为什么acheson过程在SIC生产中仍然占主导地位？
该方法为批量生产提供了成本效益（＜$ 5/kg），同时达到98％的纯度，适合大多数工业应用。
Q2：制造商如何控制生产过程中的晶体结构？
通过精确调节冷却速率 - 裂纹会产生β-SIC（立方），而缓慢冷却形成α-SIC（六边形）。
问题3：SIC制造的环境影响是什么？
现代工厂通过闭环系统捕获了85-90％的CO排放和回收60％的加工水。
问题4：碳化硅可以打印3D吗？
是的，SIC粉末的粘合剂喷射随后反应烧结会为火箭喷嘴创造复杂的几何形状。
Q5完整的生产周期需要多长时间？
传统的acheson工艺需要56小时（32h加热 + 24H冷却），而PVT晶体生长需要7-10天。
引用：
[1] https://www.linkedin.com/pulse/silicon-carbide-sic-sic-sic-instrial-production-methods-francois-francois-xavier-xqf7e
[2] https://www.ipsceramics.com/how-is-silicon-carbide-made/
[3] https://www.fiven.com/world-of-silicon-carbide/overview/
[4] https://www.linkedin.com/pulse/comprehand-guide-silicon-carbide-from
[5] https://www.domill.com/what-is-the-silicon-carbide-making-making-making-making-making-process-flow.html
[6] https://www.sialloy.com/blog/silicon-carbide-manufacturing-process.html
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/silicon_carbide
[8] https://materials.iisc.ac.in/~govindg/silicon_carbide_manufacture.htm
[9] https://kindle-tech.com/faqs/how-do-you-process-silicon-carbide
[10] https://www.preciseceramic.com/blog/methods-to-produce-silicon-carbide-and-their-advantages.html
[11] https://www.semicorex.com/news-show-8760.html
[12] https://www.washingtonmills.com/silicon-carbide/sic-production-process
[13] https://en.wikipedia.org/wiki/acheson_process
[14] https://www.atamanchemicals.com/silicon-carbide_u26029/
[15] https://wiredspace.wits.ac.za/bitstreams/09da15cb-8cc1-4573-b55e-b4ed15050145/download
[16] https://www.ntnu.no/blogger/teknat/en/2020/2020/15/role-ole-ole-o--silicon-carbide-silicon-carbide-sic-in-silicon-silicon一下
[17] https://idw-online.de/-dhefba
