เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์เทียบกับซิลิกอนคาร์ไบด์เซมิคอนดักเตอร์

ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นสารประกอบที่น่าสนใจ สามารถพบได้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และผลิตภัณฑ์เซรามิกขั้นสูง ซึ่งมักทำให้เกิดความสับสน เนื่องจากผู้คนอาจคิดว่าเป็นวัสดุชนิดเดียวกัน แต่ความจริงแล้วไม่ใช่ ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถเป็นทั้งเซรามิกขั้นสูงที่แข็งและทนทานต่อการสึกหรอ และเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพและประหยัดพลังงาน แม้ว่าทั้งสองรูปแบบจะมีรูปแบบเดียวกัน เคมี องค์ประกอบ ทั้งสองมีบทบาทที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในภาคอุตสาหกรรม เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์และเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์มีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านโครงสร้างผลึก กระบวนการเตรียม คุณสมบัติทางประสิทธิภาพ และการใช้งาน:

ข้อกำหนดความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบ

ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซรามิกมีข้อกำหนดความบริสุทธิ์ค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 90% และ 98% สำหรับผลิตภัณฑ์เกรดอุตสาหกรรมทั่วไป เซรามิกโครงสร้างประสิทธิภาพสูงอาจต้องการความบริสุทธิ์ 98%-99.5% ตัวอย่างเช่น SiC ที่ผ่านการเผาด้วยปฏิกิริยาต้องการปริมาณซิลิคอนอิสระต่ำ ทำให้มีสิ่งเจือปนในปริมาณเล็กน้อย บางครั้งอาจมีการเติมสารช่วยเผา เช่น อะลูมินา (Al₂O₃) หรืออิตเทรีย (Y₂O₃) สารเติมแต่งเหล่านี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเผา ช่วยลดอุณหภูมิการเผาและเพิ่มความหนาแน่นของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซมิคอนดักเตอร์ต้องการความบริสุทธิ์ที่สูงมาก ซิลิคอนคาร์ไบด์ผลึกเดี่ยวระดับซับสเตรตต้องมีความบริสุทธิ์ ≥99.9999% (6N) ขึ้นไป การใช้งานระดับสูงบางประเภทต้องการความบริสุทธิ์ 7N (99.99999%) ความเข้มข้นของสิ่งเจือปน โดยเฉพาะโบรอน (B) อะลูมิเนียม (Al) และวาเนเดียม (V) ต้องควบคุมให้ต่ำกว่า 10¹⁶ อะตอม/ลูกบาศก์เซนติเมตร แม้แต่สิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อย เช่น เหล็ก (Fe) หรือโบรอน (B) ก็สามารถส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ซึ่งนำไปสู่การกระเจิงของตัวพา ความแข็งแรงในการสลายลดลง และประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ลดลง

โครงสร้างและคุณภาพของผลึก

ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซรามิกโดยทั่วไปจะมีอยู่ในรูปของผงโพลีคริสตัลไลน์หรือวัตถุเผาผนึก ซึ่งประกอบด้วยผลึก SiC ขนาดเล็กที่เรียงตัวกันแบบสุ่ม โครงสร้างผลึกประกอบด้วยผลึกหลายรูปแบบ เช่น α-SiC และ β-SiC ไม่มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับผลึกเดี่ยว เน้นที่ความหนาแน่นและความสม่ำเสมอของวัสดุ โครงสร้างภายในประกอบด้วยขอบเกรนและรูพรุนขนาดเล็ก อาจประกอบด้วยสารช่วยเผาผนึก เช่น อะลูมินาหรืออิตเทรีย

ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซมิคอนดักเตอร์ต้องเป็นแผ่นรองรับผลึกเดี่ยวหรือชั้นเอพิแทกเซียล โครงสร้างผลึกมีความเป็นระเบียบสูง ต้องควบคุมชนิดของผลึกเฉพาะ ใช้เทคนิคการขึ้นรูปผลึกที่มีความแม่นยำสูง เช่น 4H-SiC และ 6H-SiC คุณสมบัติทางไฟฟ้า เช่น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและช่องว่างแบนด์มีความไวสูงต่อชนิดของผลึก ผลึก 4H-SiC เป็นที่นิยมใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้า ผลึกชนิดนี้มีการเคลื่อนที่ของตัวพาความร้อนและความแข็งแรงในการสลายสูง

ขั้นตอนการเตรียมการ

กระบวนการเตรียมซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซรามิกนั้นค่อนข้างง่าย ประกอบด้วย การเตรียมผงการขึ้นรูป และการเผาผนึก กระบวนการนี้คล้ายกับ "การเผาอิฐ" ผง SiC เกรดอุตสาหกรรม ซึ่งโดยทั่วไปจะมีขนาดเท่ากับไมครอน จะถูกผสมกับสารยึดเกาะ ส่วนผสมจะถูกอัดให้เป็นรูปร่าง จากนั้นจึงนำไปเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง (1600°C – 2200°C) ทำให้เกิดการแพร่ระหว่างอนุภาคเพื่อทำให้วัสดุมีความหนาแน่นมากขึ้น โดยทั่วไปความหนาแน่น 90% หรือมากกว่านั้นก็เพียงพอ กระบวนการนี้ไม่จำเป็นต้องควบคุมการเจริญเติบโตของผลึกอย่างแม่นยำ แต่มุ่งเน้นไปที่ความเสถียรและความสม่ำเสมอของการขึ้นรูปและการเผาผนึก ความยืดหยุ่นนี้ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ ความต้องการความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบค่อนข้างต่ำ

กระบวนการเตรียมซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซมิคอนดักเตอร์มีความซับซ้อนกว่ามาก ซึ่งประกอบด้วย การเตรียมผงที่มีความบริสุทธิ์สูงการเจริญเติบโตของสารตั้งต้นผลึกเดี่ยว การสะสมชั้นเอพิแทกเซียล และการผลิตอุปกรณ์ สารตั้งต้นผลึกเดี่ยวมักปลูกโดยใช้การขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิสูง (2200°C – 2400°C) และสภาวะสุญญากาศสูง จำเป็นต้องมีการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ (±1°C) และความดันเพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของผลึก หลังจากนั้นจึงใช้การสะสมไอทางเคมี (CVD) เพื่อปลูกชั้นเอพิแทกเซียล กระบวนการนี้ต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่สะอาดเป็นพิเศษ เช่น ห้องคลีนรูมระดับ 10 ต้องป้องกันการปนเปื้อนเพื่อรักษาประสิทธิภาพของวัสดุ กระบวนการนี้มีความแม่นยำสูง ต้องมีความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบที่เข้มงวด (>99.9999%) และมาตรฐานอุปกรณ์

ความแตกต่างของต้นทุนและการมุ่งเน้นตลาด

ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซรามิกมีราคาถูกกว่า โดยใช้ผง SiC เกรดอุตสาหกรรมและกระบวนการเตรียมที่ง่ายกว่า โดยทั่วไปราคาต่อตันจะอยู่ระหว่างหลักพันถึงหลักหมื่นหยวน การใช้งานในตลาดมีหลากหลาย โดยส่วนใหญ่มุ่งเป้าไปที่อุตสาหกรรมต่างๆ เช่น วัสดุขัด วัสดุทนไฟ และภาคส่วนอื่นๆ ที่คำนึงถึงต้นทุนเป็นหลัก
ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซมิคอนดักเตอร์มีราคาแพงมาก กระบวนการเตรียมซับสเตรตใช้เวลานาน การควบคุมข้อบกพร่องมีความท้าทาย และอัตราผลผลิตต่ำ ซับสเตรตขนาด 6 นิ้วอาจมีราคาหลายพันดอลลาร์ ตลาดของซับสเตรตนี้มุ่งเน้นไปที่อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ระดับไฮเอนด์ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าและส่วนประกอบ RF ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์ไฟฟ้าและการสื่อสาร 5G ความต้องการของตลาดจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

พื้นที่ใช้งาน

ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซรามิกเป็น “วัสดุที่ทนทานต่อการใช้งานในอุตสาหกรรม” โดยส่วนใหญ่ใช้เป็นวัสดุโครงสร้าง มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม เช่น ความแข็งและความทนทานต่อการสึกหรอสูง นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดีเยี่ยม เช่น ทนต่ออุณหภูมิสูงและการเกิดออกซิเดชัน ซิลิคอนคาร์ไบด์ถูกใช้อย่างกว้างขวางในวัสดุขัดถู (ล้อเจียร กระดาษทราย) วัสดุทนไฟ (วัสดุบุผิวเตาเผา) และส่วนประกอบที่ทนทานต่อการสึกหรอ/การกัดกร่อน (ตัวปั๊ม วัสดุบุผิวท่อ)

ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดเซมิคอนดักเตอร์คือ “กลุ่มผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ชั้นนำ” ซิลิคอนคาร์ไบด์ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แก็ปที่กว้าง มอบข้อได้เปรียบเฉพาะตัวในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น อินเวอร์เตอร์สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและตัวแปลงสำหรับโครงข่ายไฟฟ้า ซิลิคอนคาร์ไบด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานและลดการสูญเสียพลังงาน ในอุปกรณ์ RF เช่น สถานีฐาน 5G และเรดาร์ ซิลิคอนคาร์ไบด์เซมิคอนดักเตอร์ช่วยเพิ่มความถี่ในการทำงานและความสามารถในการส่งสัญญาณ นอกจากนี้ยังใช้ในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น แผ่นฐาน LED สีน้ำเงิน ซึ่งช่วยให้ได้แหล่งกำเนิดแสงสีฟ้าสดใส

ผงมหากาพย์

สรุปได้ว่า Epic Powder มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาการผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ทั้งเกรดเซรามิกและเกรดเซมิคอนดักเตอร์ ด้วยการจัดหาอุปกรณ์บดที่ทันสมัย เช่น เครื่องบดแบบลูกบอล เครื่องบดแบบเจ็ต และเครื่องแยกประเภท Epic Powder จึงมั่นใจได้ว่าวัตถุดิบเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ โครงสร้าง และประสิทธิภาพที่เข้มงวดสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย โซลูชันที่ปรับแต่งตามความต้องการของเรารองรับอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่เซรามิกไปจนถึงเซมิคอนดักเตอร์ มอบมาตรฐานสูงสุดในการแปรรูปวัสดุ และส่งเสริมความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในภาคส่วนต่างๆ