Nýttu kraft kísilkarbíðdeigla í háhita kristallavöxt

1. Inngangur

Fyrir aðeins sólarhring tilkynnti hálfleiðararisinn Wolfspeed bylting í framleiðslulínu sinni fyrir 200 mm kísilkarbíðskífur og nefndi þar með bætta kristallaframleiðslu þökk sé háþróuðum deigluefnum. Kjarninn í þessari nýjung? Hin auðmjúka en samt öfluga kísilkarbíð deigla—afkastamikið ílát sem gerir kleift að uppfylla þær öfgustu skilyrði sem þarf fyrir vöxt næstu kynslóðar hálfleiðarakristalla.

Meðan flestir umgangast kísilkarbíð með slípiefnum eða bílbremsum, þá er hlutverk þess í iðnaðarferlum með mikla hreinleika og háan hita þar sem það skín sannarlega. Í þessari grein munum við kafa ofan í eitt af krefjandi – og heillandi – notkunarsviðum þess: ræktun einkristalla hálfleiðara fyrir rafknúin ökutæki, 5G grunnstöðvar og endurnýjanleg orkukerfi.

2. Af hverju kísilkarbíðdeiglur? Vísindin á bak við valið

Að rækta hálfleiðarakristalla eins og sílikon karbít (SiC) eða gallíumnítríð (GaN) krefst hitastigs yfir 2,000°C í efnafræðilega árásargjarnum andrúmsloftum. Flest keramik springur, hvarfast eða mengar bráðið við þessar aðstæður - en ekki kísillkarbíð.

Silicon Karbítdeiglur bjóða upp á einstaka varmaleiðni, nærri núll varmaþenslumisræmi og framúrskarandi efnafræðilega óvirkni. Ólíkt grafítdeiglum, sem geta borið með sér kolefnisóhreinindi, eða áloxíð, sem bráðnar eða hvarfast, viðheldur kísillkarbíð byggingarheildleika en stendst tæringu frá bráðnum hálfleiðurum.

3. Í brennidepli sérhæfðra forrita: Vöxtur einkristalla SiC

3.1. Aðferðin við flutning á gufu (PVT)

Algengasta aðferðin til að framleiða SiC kristalla í lausu er líkamlegur gufuflutningur (e. Physical Vapour Transport, PVT). Í þessu ferli gufar upp hreint SiC duft í lokuðu hólfi og sest aftur saman sem einn kristall á fræi. Allt viðbrögðin eiga sér stað inni í... kísilkarbíð deiglu, sem verður að þola allt að 2,500°C hitastig undir lágþrýstingi argons eða lofttæmis.

Öll óhreinindi sem leka úr deiglunni — eins og ál úr súráloxíði eða bór úr bórkarbíði — geta spillt rafmagnseiginleikum skífunnar sem myndast. Þess vegna kjósa framleiðendur stranglega deiglur úr mjög hreinu kísilkarbíði fram yfir valkosti eins og bórkarbíð á móti kísilkarbíði, þar sem lægri varmaleiðni og meiri hvarfgirni bórkarbíðs gera það óhentugt fyrir þessa notkun.

3.2. Betri en kísillnítríð valkostir

Sumir gætu velt því fyrir sér: hvað með kísillnítríð? Þótt kísillnítríð keramikhlutar — eins og verksmiðjuvörur úr kísillnítríð deiglum, kísillnítrídhringir eða sérsniðnir kísillnítríð hitaskildir — séu frábærir til að standast hitaáfall, þá brotna þeir niður yfir 1,800°C í minnkandi andrúmslofti. Aftur á móti helst kísillkarbíð stöðugt langt yfir 2,200°C, sem gerir það ómissandi fyrir PVT kristallavöxt.

Jafnvel nýjungar á markaði fyrir hágæða kísillnítríðduft hafa ekki brúað þennan afkastamismun. Fyrir hálfleiðaravinnslu við ofurháan hita er kísillkarbíð einfaldlega óviðjafnanlegt.

4. Handan rannsóknarstofunnar: Iðnaðar- og óvænt notkun kísilkarbíðkeramik

Sama efnisfræðin sem gerir kleift að nota kísilkarbíðdeiglur knýr einnig ótrúlega fjölbreytt úrval annarra nota. Frá kísilkarbíð keramikflísum sem klæða iðnaðarofna til kísilkarbíð brennarastúta í glerofnum, þessi keramik er vinnuhestur í öfgafullum aðstæðum.

Verkfræðingar treysta einnig á íhluti eins og rbsic kísilkarbíðflísarblokkir, kísilkarbíð keramik súlur og kísilkarbíð múrsteina fyrir slitþolnar fóðringar í málmsteypu og efnavinnslu. Á sama tíma eru kísilkarbíð rör - sérstaklega kísilkarbíð hitaeiningar verndarrör og kísilkarbíð keramik rör fyrir háan hita - staðalbúnaður í geimferða- og orkugeiranum.

Og já, jafnvel eldhúsið þitt gæti notið góðs af þessu: Sérhæfð vörumerki bjóða nú upp á bökunarform úr kísilkarbíði, matardiska úr kísilkarbíði og jafnvel smjörform úr kísilkarbíði. Þótt þetta sé ekki algengt nýta þessir hlutir hitaþol efnisins og óhvarfgjarnt yfirborð – tilvalið fyrir handverksbakstur eða hágæða borðbúnað eins og hvíta diska úr kísilkarbíði eða handgerðar svartar útgáfur.

5. Efnissamanburður: Af hverju ekki önnur keramik?

• Bórkarbíð vs. kísilkarbíð: Bórkarbíð er harðara en brothættara og minna varmaleiðandi — óhentugt fyrir stórar deiglur.
• Áloxíð: Ódýrara en hvarfast við bráðið SiC og springur við hitahringrás.
• Grafít: Leiðir hita vel en mengar bráðnar með kolefni; þarfnast verndandi húðunar sem brotnar niður með tímanum.
• Kísillnítríð: Frábært við meðalhita en brotnar niður við vaxtarskilyrði SiC.

Í stuttu máli, fyrir kristallavöxt, býður aðeins kísillkarbíð upp á fullkomna jafnvægi hreinleika, styrks og hitastöðugleika.

6. Niðurstaða

Frá því að gera kleift að nota hálfleiðara sem knýja rafmagnsbíla til að fóðra iðnaðarofna og jafnvel birtast í eldhúsáhöldum, eru kísilkarbíðdeiglur aðeins einn þáttur í fjölhæfni þessa einstaka keramik. Þar sem eftirspurn eftir hálfleiðurum með breitt bandbil eykst mun hlutverk kísilkarbíðdeiglunnar aðeins verða mikilvægara - sem sannar að stundum eru háþróaðustu tæknin háð hljóðlátri áreiðanleika vel hannaðs keramikíláts.

Vefsíða okkar, stofnuð 17. október 2012, er hátæknifyrirtæki sem sérhæfir sig í rannsóknum og þróun, framleiðslu, vinnslu, sölu og tæknilegri þjónustu á keramikefnum eins og Unlock. Vörur okkar eru meðal annars bórkarbíð keramikvörur, bórnítríð keramikvörur, kísillkarbíð keramikvörur, kísillnítríð keramikvörur, sirkondíoxíð keramikvörur o.s.frv. Ef þú hefur áhuga, vinsamlegast hafðu samband við okkur.