Keramisches Siliziumkarbid vs. Halbleiter-Siliziumkarbid

Siliziumkarbid (SiC) ist eine faszinierende Verbindung. Man findet sie in der Halbleiterindustrie und in Hochleistungskeramiken. Dies führt oft zu Verwirrung, da viele denken, es handele sich um dasselbe Material. Das ist jedoch nicht der Fall. Siliziumkarbid kann sowohl eine harte, verschleißfeste Hochleistungskeramik als auch ein effizienter, energiesparender Halbleiter sein. Obwohl beide Formen die gleichen chemisch Aufgrund ihrer Zusammensetzung spielen sie in der Industrie zwei völlig unterschiedliche Rollen. Keramisches Siliziumkarbid und Halbleiter-Siliziumkarbid unterscheiden sich erheblich in Kristallstruktur, Herstellungsverfahren, Leistungsmerkmalen und Anwendungen:

Anforderungen an die Reinheit der Rohstoffe

Für keramisches Siliziumkarbid gelten relativ geringe Reinheitsanforderungen. Für allgemeine Industrieprodukte liegt der Reinheitsgrad typischerweise zwischen 90% und 98%. Hochleistungs-Strukturkeramiken erfordern möglicherweise eine Reinheit von 98% bis 99,5%. Reaktionsgesintertes SiC beispielsweise erfordert einen niedrigen Gehalt an freiem Silizium. Es erlaubt geringe Verunreinigungen. Manchmal werden Sinterhilfsmittel wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Yttriumoxid (Y₂O₃) zugesetzt. Diese Additive verbessern die Sinterleistung. Sie tragen zur Senkung der Sintertemperatur und zur Erhöhung der Endproduktdichte bei.

Siliziumkarbid in Halbleiterqualität erfordert extrem hohe Reinheit. Einkristallines SiC auf Substratebene muss eine Reinheit von ≥99,9999% (6N) aufweisen. Einige High-End-Anwendungen erfordern eine Reinheit von 7N (99,99999%). Die Konzentration von Verunreinigungen, insbesondere von Bor (B), Aluminium (Al) und Vanadium (V), muss unter 10¹⁶ Atomen/cm³ liegen. Selbst kleinste Mengen von Verunreinigungen wie Eisen (Fe) oder Bor (B) können die elektrische Leistung erheblich beeinträchtigen. Dies führt zu Ladungsträgerstreuung, verringerter Durchschlagfestigkeit sowie verminderter Leistung und Zuverlässigkeit des Geräts.

Kristallstruktur und -qualität

Siliziumkarbid in Keramikqualität liegt in der Regel als polykristallines Pulver oder als Sinterkörper vor. Diese bestehen aus zufällig angeordneten kleinen SiC-Kristallen. Die Kristallstruktur umfasst mehrere Kristallformen, wie beispielsweise α-SiC und β-SiC. Es gibt keine zwingende Anforderung an einen einzigen Kristalltyp. Der Fokus liegt auf Materialdichte und -gleichmäßigkeit. Die innere Struktur weist Korngrenzen und kleine Poren auf. Es kann auch Sinterhilfsmittel wie Aluminiumoxid oder Yttriumoxid enthalten.

Siliziumkarbid in Halbleiterqualität muss ein Einkristallsubstrat oder eine epitaktische Schicht sein. Die Kristallstruktur ist hochgeordnet. Bestimmte Kristalltypen müssen kontrolliert werden. Es kommen hochpräzise Kristallzüchtungsverfahren wie 4H-SiC und 6H-SiC zum Einsatz. Elektrische Eigenschaften wie Elektronenbeweglichkeit und Bandlücke hängen stark vom Kristalltyp ab. Der 4H-SiC-Kristalltyp wird für Leistungsbauelemente bevorzugt. Er bietet hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und Durchschlagfestigkeit.

Vorbereitungsprozess

Der Herstellungsprozess von keramischem Siliziumkarbid ist relativ einfach. Er umfasst Pulveraufbereitung, Formen und Sintern. Dieser Prozess ähnelt dem Ziegelbrand. Industrielles SiC-Pulver, typischerweise im Mikrometerbereich, wird mit einem Bindemittel vermischt. Die Mischung wird in Form gepresst. Anschließend wird sie bei hohen Temperaturen (1600 °C – 2200 °C) gesintert. Dies bewirkt Diffusion zwischen den Partikeln, wodurch das Material verdichtet wird. Eine Dichte von 90% oder mehr ist typischerweise ausreichend. Der Prozess erfordert keine präzise Kontrolle des Kristallwachstums. Er konzentriert sich auf die Stabilität und Konsistenz von Formen und Sintern. Diese Flexibilität ermöglicht die Herstellung komplex geformter Komponenten. Die Anforderungen an die Reinheit der Rohstoffe sind relativ gering.

Der Herstellungsprozess für Siliziumkarbid in Halbleiterqualität ist wesentlich komplexer. Er umfasst hochreine Pulveraufbereitung, Wachstum von Einkristallsubstraten, Abscheidung epitaktischer Schichten und Geräteherstellung. Einkristallsubstrate werden üblicherweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVT) gezüchtet. Dies erfordert hohe Temperaturen (2200 °C – 2400 °C) und Hochvakuumbedingungen. Eine präzise Kontrolle der Temperaturgradienten (±1 °C) und des Drucks ist erforderlich, um die Kristallintegrität zu gewährleisten. Anschließend wird die epitaktische Schicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet. Der Prozess muss in ultrareinen Umgebungen wie Reinräumen der Klasse 10 stattfinden. Verunreinigungen müssen vermieden werden, um die Materialleistung zu erhalten. Dieser Prozess ist hochpräzise. Strenge Standards für die Reinheit der Rohstoffe (>99,9999%) und die Ausrüstung sind erforderlich.

Kostenunterschiede und Marktfokus

Siliziumkarbid in Keramikqualität ist kostengünstiger. Es verwendet SiC-Pulver in Industriequalität und lässt sich einfacher herstellen. Der Preis pro Tonne liegt typischerweise zwischen mehreren Tausend und Zehntausend Yuan. Die Marktanwendungen sind vielfältig und zielen hauptsächlich auf Branchen wie die Schleifmittel- und Feuerfestindustrie sowie andere kostensensitive Bereiche ab.
Siliziumkarbid in Halbleiterqualität ist extrem teuer. Die Substratvorbereitung ist langwierig. Die Fehlerkontrolle ist anspruchsvoll. Die Ausbeute ist gering. Ein 6-Zoll-Substrat kann mehrere tausend Dollar kosten. Der Markt konzentriert sich auf High-End-Elektronik. Dazu gehören Leistungshalbleiter und HF-Komponenten. Mit dem rasanten Wachstum von Branchen wie Elektrofahrzeugen und 5G-Kommunikation steigt die Marktnachfrage rasant.

Anwendungsbereiche

Keramik-Siliziumkarbid ist der „harte Kerl“ für die Industrie. Es wird hauptsächlich als Konstruktionswerkstoff eingesetzt. Es verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften wie hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Darüber hinaus zeichnet es sich durch hervorragende thermische Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aus. Es wird häufig in Schleifmitteln (Schleifscheiben, Sandpapier), feuerfesten Materialien (Ofenauskleidungen) und verschleiß- und korrosionsbeständigen Komponenten (Pumpengehäuse, Rohrauskleidungen) verwendet.

Siliziumkarbid in Halbleiterqualität ist die „elektronische Elite“. Es profitiert von seinen Halbleitereigenschaften mit großer Bandlücke. Es bietet einzigartige Vorteile für elektronische Geräte. In Leistungsgeräten wie Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge und Umrichtern für Stromnetze verbessert es die Effizienz der Energieumwandlung und reduziert Energieverluste. In HF-Geräten wie 5G-Basisstationen und Radaren verbessert Halbleiter-SiC die Betriebsfrequenz und die Signalübertragungsfähigkeiten. Es wird auch in optoelektronischen Geräten wie blauen LED-Substraten eingesetzt und trägt zu hellblauen Lichtquellen bei.

Episches Pulver

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Epic Powder eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Produktion von Siliziumkarbid in Keramik- und Halbleiterqualität spielt. Durch die Bereitstellung modernster Mahlanlagen wie Kugelmühlen, Strahlmühlen und Sichter stellt Epic Powder sicher, dass die Rohstoffe die strengen Anforderungen an Reinheit, Struktur und Leistung für verschiedene Anwendungen erfüllen. Unsere maßgeschneiderten Lösungen unterstützen Branchen von der Keramik bis zur Halbleiterindustrie, bieten höchste Standards in der Materialverarbeitung und ermöglichen technologische Fortschritte in verschiedenen Sektoren.