碳化矽是如何以工業規模生產的？

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● 碳化矽的基本面

● 工業製造方法

>> 1。艾克森過程

>> 2。物理蒸氣運輸（PVT）

>> 3。化學蒸氣沉積（CVD）

● 碳化矽質量生產的現代創新

>> AI驅動過程優化

>> 大型爐技術

>> 回收和可持續性

● 大量生產碳化矽的應用

● 工業規模生產的挑戰

● 未來趨勢

● 結論

● 常問問題

>> 1。為什麼在電力電子中，碳化矽比矽更喜歡？

>> 2。使用PVT種植單個SIC晶體需要多長時間？

>> 3。全球SIC生產中有多少百分比使用了ACHESON流程？

>> 4。碳化矽可以回收嗎？

>> 5。在半導體中採用更廣泛的SIC的主要障礙是什麼？

碳化矽（SIC）已成為需要極高耐用性，熱穩定性和電效率的行業的基石材料。它的批量生產利用了幾十年來的高級工業流程，結合了高溫合成，精確工程和尖端的自動化。本文探討了驅動的方法，挑戰和創新 矽碳化物的 質量生產，為在能源，國防和先進製造等領域提供了對其至關重要的作用的見解。

碳化矽的基本面

碳化矽是矽和碳的合成化合物，以其出色的硬度（9.5 MOHS），導熱率（120-490 W/m·K）和化學惰性而聞名。與天然發生的Moissanite不同，工業SIC是合成生產的，以滿足嚴格的純度和結構要求。

工業製造方法

1。艾克森過程

這種方法於1891年由愛德華·阿奇森（Edward Acheson）於1891年開發，仍然是用於散裝SIC合成的最廣泛使用的方法。

步驟：

1。原材料製備：高純度二氧化矽砂（Sio₂）和石油焦（C）以1：3的比例混合。

2。爐件組件：將混合物裝入石墨襯裡的電阻爐中。

3。反應階段：超過2,500°C的溫度觸發反應：

SIO ₂+3C→SIC +2CO

4。冷卻和提取：36-48小時後，從石墨芯中提取爐子冷卻和粗sic晶體。

5。粉碎和分級：材料被粉碎並分類為磨砂膏，折射率或進一步加工的砂粒尺寸。

優點：

- 具有成本效益的大規模輸出。

- 適用於磨料和冶金級SIC。

限制：

- 能量密集型（每噸高達12 MWH）。

- 由於鐵和鋁等殘留雜質，純度有限（95–98％）。

2。物理蒸氣運輸（PVT）

PVT主導著用於電子產品的單晶SIC晶圓。

步驟：

1。昇華：SIC粉末在真空中加熱至〜2,400°C，蒸發成Si，Si₂c和SiC₂氣體。

2。晶體生長：在冷卻較冷的種子晶體上濃縮蒸氣，形成單晶錠。

3。晶圓加工：使用鑽石鋸將鑄錠切成晶片，並拋光至納米級光滑度。

優點：

- 為電源設備生產4H-SIC和6H-SIC晶體。

- 啟用興奮劑（例如，氮型的氮，P型的鋁）。

挑戰：

- 增長率緩慢（0.2-2 mm/小時）。

- 與硅相比高缺陷密度。

3。化學蒸氣沉積（CVD）

CVD將超純SIC層沉積在石墨或矽等基板上。

步驟：

1。氣體簡介：矽烷（Sih₄）和甲烷（CH₄）被送入真空室。

2。熱分解：在1,200–1,600°C時，氣體在基板上形成SIC：

SIH ₄+CH ₄→SIC +4H₂

3。層厚度控制：過程持續時間確定塗層厚度（1-100 µm）。

應用程式:

- 渦輪刀片的保護塗層。

- 太空望遠鏡的鏡子基板。

碳化矽質量生產的現代創新

AI驅動過程優化

- 溫度控制：機器學習算法實時調整爐子參數，將能源使用降低15％。

- 缺陷檢測：計算機視覺系統確定PVT增長期間的晶體缺陷，將產量提高30％。

大型爐技術

- 將acheson爐縮放到10米長的長度可將批處理輸出增加400％。

- 自動充電系統降低了人工成本和污染風險。

回收和可持續性

- 捕獲來自acheson反應器的CO排放並轉化為甲酸。

- 晶片切割中的SIC污泥被重新使用，以用於耐火磚。

大量生產碳化矽的應用

工業規模生產的挑戰

1。能源成本：60％的SIC生產費用源於電力。

2。晶體缺陷：PVT生長的Wafers中的位錯限制了設備的產量。

3。石墨供應：80％的高純度石墨來自中國，造成供應鏈風險。

未來趨勢

- 採用8英寸的晶圓：從150mm到200mm晶圓的過渡可能會將芯片成本降低35％。

- 液相外延：新興技術有望在1,800°C下無缺陷的SIC層。

結論

碳化矽質量生產已經從手工批處理工藝發展為高度自動化的系統，能夠交付磨碎的砂礫和無缺陷的200mm晶圓。隨著可再生能源和電動汽車的需求，製造商每年投資40億美元，以完善水晶增長技術，採用行業4.0技術並確保原材料供應。 SIC憑藉其熱，電氣和機械性能的無與倫比的組合，有助於革新從量子計算到高超音速航空的行業。

常問問題

1。為什麼在電力電子中，碳化矽比矽更喜歡？

SIC的更寬的帶隙（3.3 eV vs. 1.1 eV）可以在更高的溫度和電壓下運行，從而在EV逆變器中降低了高達70％的能量損失。

2。使用PVT種植單個SIC晶體需要多長時間？

直徑150mm的4H-SIC BOULE通常需要在2,200°C下連續生長7-10天。

3。全球SIC生產中有多少百分比使用了ACHESON流程？

大約75％的磨料級和40％的冶金級SIC依賴於acheson爐。

4。碳化矽可以回收嗎？

是的，多達90％的SIC研磨輪通過壓碎和磁分離將其回收為難治性材料或道路磨料。

5。在半導體中採用更廣泛的SIC的主要障礙是什麼？

晶圓成本由於復雜的晶體增長和較低的產量而比矽高5-8倍，儘管價格每年下跌15％。