セラミック炭化ケイ素と半導体炭化ケイ素

炭化ケイ素 SiCは魅力的な化合物です。半導体産業や先進セラミック製品に使用されています。そのため、両者は同じ材料だと誤解されることが多く、混乱を招くことがあります。しかし、そうではありません。炭化ケイ素は、硬くて耐摩耗性に優れた先進セラミックであると同時に、高効率で省エネな半導体でもあります。どちらの形態も、同じ特性を持っていますが、 化学薬品 組成が異なるものの、産業分野では全く異なる役割を果たしています。セラミック炭化ケイ素と半導体炭化ケイ素は、結晶構造、製造プロセス、性能特性、用途において大きく異なります。

原材料の純度要件

セラミックグレードの炭化ケイ素（SiC）の純度要件は比較的低く、一般的な工業用グレード製品では90%から98%の範囲です。高性能構造用セラミックスでは、98%から99.5%の純度が求められる場合があります。例えば、反応焼結SiCでは、遊離シリコン含有量を低く抑える必要があります。これにより、少量の不純物が許容されます。場合によっては、アルミナ（Al₂O₃）やイットリア（Y₂O₃）などの焼結助剤が添加されます。これらの添加剤は焼結性能を向上させ、焼結温度を下げ、最終製品の密度を高めるのに役立ちます。

半導体グレードのシリコンカーバイドには極めて高い純度が求められます。基板レベルの単結晶SiCは、純度99.9999%（6N）以上でなければなりません。一部のハイエンドアプリケーションでは、純度7N（99.99999%）が求められます。不純物濃度、特にホウ素（B）、アルミニウム（Al）、バナジウム（V）は、10¹⁶ atoms/cm³未満に抑える必要があります。鉄（Fe）やホウ素（B）などの不純物は、微量であっても電気特性に深刻な影響を与える可能性があります。これは、キャリア散乱、破壊強度の低下、そしてデバイスの性能と信頼性の低下につながります。

結晶構造と品質

セラミックグレードの炭化ケイ素は、一般的に多結晶粉末または焼結体として存在します。これらは、ランダムに配列した小さなSiC結晶で構成されています。結晶構造には、α-SiCやβ-SiCなど、複数の結晶型が含まれます。単一の結晶型に厳密に限定されるわけではありません。材料の密度と均一性が重視されます。内部構造には粒界と小さな気孔が含まれます。アルミナやイットリアなどの焼結助剤が含まれる場合もあります。

半導体グレードのシリコンカーバイドは、単結晶基板またはエピタキシャル層でなければなりません。結晶構造は高度に整列しており、特定の結晶タイプを制御する必要があります。4H-SiCや6H-SiCなどの高精度結晶成長技術が用いられます。電子移動度やバンドギャップなどの電気特性は、結晶タイプに非常に敏感です。4H-SiC結晶タイプは、高いキャリア移動度と破壊強度を備え、パワーデバイスに適しています。

準備プロセス

セラミックグレードの炭化ケイ素の製造工程は比較的単純で、 粉末調製成形、焼結という工程を経る。この工程は「レンガ焼き」に似ている。工業用SiC粉末（通常はミクロンサイズ）をバインダーと混合する。この混合物をプレス成形し、高温（1600℃～2200℃）で焼結する。これにより粒子間の拡散が促進され、材料の密度が高まる。通常、90%以上の密度があれば十分である。この工程では、精密な結晶成長制御は不要であり、成形と焼結の安定性と一貫性に重点が置かれている。この柔軟性により、複雑な形状の部品の製造が可能となる。原材料の純度要件は比較的低く抑えられる。

半導体グレードの炭化ケイ素の製造プロセスははるかに複雑で、次のような工程が含まれます。 高純度粉末製剤単結晶基板の成長、エピタキシャル層の堆積、そしてデバイス製造。単結晶基板は通常、物理気相輸送（PVT）法を用いて成長させます。この方法では、高温（2200℃～2400℃）と高真空条件が求められます。結晶の完全性を確保するには、温度勾配（±1℃）と圧力の精密な制御が求められます。その後、化学気相堆積（CVD）法を用いてエピタキシャル層を成長させます。このプロセスは、クラス10クリーンルームなどの超クリーンな環境で行わなければなりません。材料の性能を維持するために、汚染を防ぐ必要があります。このプロセスは非常に高精度です。厳格な原材料純度（>99.9999%）と装置基準が求められます。

コストの違いと市場の焦点

セラミックグレードの炭化ケイ素は安価です。工業用グレードのSiC粉末を使用し、よりシンプルな製造プロセスで製造されます。1トンあたりの価格は通常数千元から数万元です。市場用途は幅広く、主に研磨材、耐火物、その他コスト重視の分野をターゲットとしています。
半導体グレードのシリコンカーバイドは非常に高価です。基板の準備工程が長く、欠陥管理が困難で、歩留まりも低いです。6インチ基板の価格は数千ドルにもなります。市場はハイエンドの電子分野に集中しており、これにはパワー半導体デバイスやRF部品が含まれます。電気自動車や5G通信などの産業の急速な成長に伴い、市場の需要は急速に増加しています。

応用分野

セラミックグレードの炭化ケイ素は「産業のタフガイ」です。主に構造材料として使用され、高硬度、耐摩耗性などの優れた機械的特性を備えています。また、耐高温性、耐酸化性などの優れた熱的特性も備えています。研磨材（研削砥石、サンドペーパー）、耐火物（炉内張り）、耐摩耗・耐腐食部品（ポンプ本体、配管内張り）など、幅広い用途で使用されています。

半導体グレードの炭化ケイ素（SiC）は、「電子のエリート」です。ワイドバンドギャップ半導体としての特性を活かし、電子機器に独自の利点をもたらします。電気自動車用インバータや電力網用コンバータなどのパワーデバイスでは、電力変換効率を向上させ、エネルギー損失を低減します。5G基地局やレーダーなどのRFデバイスでは、半導体SiCが動作周波数と信号伝送能力を向上させます。また、青色LED基板などの光電子デバイスにも使用され、明るい青色光源の実現に貢献しています。

エピックパウダー

結論として、Epic Powderはセラミックグレードおよび半導体グレードのシリコンカーバイド生産の発展において重要な役割を果たしています。ボールミル、ジェットミル、分級機といった最先端の粉砕装置を提供することで、Epic Powderは原材料が様々な用途における厳格な純度、構造、性能要件を満たすことを保証します。当社のカスタマイズされたソリューションは、セラミックから半導体に至るまで、あらゆる産業をサポートし、材料処理における最高水準を実現し、様々な分野における技術進歩を促進しています。