סיליקון קרביד קרמי לעומת סיליקון קרביד מוליך למחצה: אותו חומר עם שני גורלות שונים

1. דרישות טוהר שונות לחומרי גלם

 

ל-SiC בדרגה קרמית יש דרישות טוהר מקלות יחסית עבור חומר הגלם האבקי שלו. בדרך כלל, מוצרים בדרגה מסחרית עם טוהר של 90%-98% יכולים לענות על רוב צרכי היישומים, אם כי קרמיקה מבנית בעלת ביצועים גבוהים עשויה לדרוש טוהר של 98%-99.5% (למשל, SiC הקשור בתגובה דורש תכולת סיליקון חופשי מבוקרת). הוא סובל זיהומים מסוימים ולפעמים משלב במכוון עזרי סינטור כמו תחמוצת אלומיניום (Al₂O₃) או תחמוצת איטריום (Y₂O₃) כדי לשפר את ביצועי הסינטור, להוריד את טמפרטורות הסינטור ולשפר את צפיפות המוצר הסופי.

 

SiC ברמת מוליכים למחצה דורש רמות טוהר כמעט מושלמות. SiC ברמת מצע דורש טוהר של ≥99.9999% (6N), כאשר חלק מהיישומים המתקדמים דורשים טוהר של 7N (99.99999%). שכבות אפיטקסיאליות חייבות לשמור על ריכוזי טוהר מתחת ל-10¹6 אטומים/סמ"ק (במיוחד תוך הימנעות מזיהומים עמוקים כמו B, Al ו-V). אפילו זיהומים זעירים כמו ברזל (Fe), אלומיניום (Al) או בורון (B) יכולים להשפיע קשות על התכונות החשמליות על ידי גרימת פיזור נושאי מטען, הפחתת עוצמת שדה הקריסה ובסופו של דבר פגיעה בביצועי המכשיר ואמינותו, מה שמצריך בקרת טוהר קפדנית.

 

חומר מוליך למחצה מסיליקון קרביד

 

2. מבני גביש ואיכות ייחודיים

 

SiC בדרגה קרמית קיים בעיקר כאבקה רב-גבישית או גופים מסונטרים המורכבים ממספר רב של מיקרו-גבישים של SiC בעלי אוריינטציה אקראית. החומר עשוי להכיל מספר רב של פולי-טיפים (למשל, α-SiC, β-SiC) ללא שליטה קפדנית על פולי-טיפים ספציפיים, תוך דגש על צפיפות החומר הכוללת ואחידותו. המבנה הפנימי שלו כולל גבולות גרגירים רבים ונקבוביות מיקרוסקופיות, ועשוי להכיל עזרי סינטור (למשל, Al₂O₃, Y₂O₃).

 

SiC בדרגת מוליך למחצה חייב להיות מצעים גבישיים יחידים או שכבות אפיטקסיאליות עם מבני גביש מסודרים מאוד. הוא דורש פולי-טיפים ספציפיים המתקבלים באמצעות טכניקות גידול גבישים מדויקות (למשל, 4H-SiC, 6H-SiC). תכונות חשמליות כמו ניידות אלקטרונים ופער אנרגיה רגישות ביותר לבחירת פולי-טיפ, מה שמחייב בקרה קפדנית. נכון לעכשיו, 4H-SiC שולט בשוק בשל תכונותיו החשמליות המעולות, כולל ניידות נושאי מטען גבוהה ועוצמת שדה פריצה, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור התקני כוח.

 

3. השוואת מורכבות תהליכים

 

SiC בדרגה קרמית משתמש בתהליכי ייצור פשוטים יחסית (הכנת אבקה → עיצוב → סינטור), בדומה ל"ייצור לבנים". התהליך כולל:

 

• ערבוב אבקת SiC ברמה מסחרית (בדרך כלל בגודל מיקרון) עם חומרי קשירה
• עיצוב באמצעות לחיצה
• סינטור בטמפרטורה גבוהה (1600-2200 מעלות צלזיוס) להשגת צפיפות באמצעות דיפוזיה של חלקיקים
  ניתן להסתפק ברוב היישומים בצפיפות של מעל 90%. התהליך כולו אינו דורש בקרת גדילה מדויקת של גבישים, אלא מתמקד בעקביות היווצרות וסינטור. היתרונות כוללים גמישות בתהליך עבור צורות מורכבות, אם כי עם דרישות טוהר נמוכות יחסית.

 

SiC ברמת מוליכים למחצה כרוך בתהליכים מורכבים הרבה יותר (הכנת אבקה בטוהר גבוה → גידול מצע גבישי יחיד → שקיעת פרוסות אפיטהקסיאליות → ייצור המכשיר). השלבים העיקריים כוללים:

 

• הכנת מצע בעיקר באמצעות שיטת הובלת אדים פיזיקלית (PVT)
• סובלימציה של אבקת SiC בתנאים קיצוניים (2200-2400°C, ואקום גבוה)
• בקרה מדויקת של גרדיאנטי טמפרטורה (±1°C) ופרמטרי לחץ
• צמיחת שכבה אפיטקסיאלית באמצעות שקיעת אדים כימית (CVD) ליצירת שכבות עבות ואחידות (בדרך כלל מכמה עד עשרות מיקרונים)
  התהליך כולו דורש סביבות נקיות במיוחד (למשל, חדרים נקיים מסוג 10) כדי למנוע זיהום. המאפיינים כוללים דיוק תהליך קיצוני, הדורש שליטה על שדות תרמיים וקצבי זרימת גז, עם דרישות מחמירות הן לטוהר חומרי הגלם (>99.9999%) והן לתחכום הציוד.

 

4. הבדלי עלויות משמעותיים וכיווני שוק

 

תכונות SiC בדרגת קרמיקה:

• חומר גלם: אבקה ברמה מסחרית
• תהליכים פשוטים יחסית
• עלות נמוכה: אלפי עד עשרות אלפי יואן לטון
• יישומים רחבים: חומרי ליטוש, חומרים חסיני אש ותעשיות אחרות הרגישות לעלויות

 

תכונות SiC ברמת מוליכים למחצה:

• מחזורי גידול ארוכים של המצע
• בקרת פגמים מאתגרת
• שיעורי תשואה נמוכים
• עלות גבוהה: אלפי דולרים לכל מצע בגודל 6 אינץ'
• שווקים ממוקדים: אלקטרוניקה בעלת ביצועים גבוהים כמו התקני כוח ורכיבי RF
  עם הפיתוח המהיר של כלי רכב חדשים המבוססים על אנרגיה ותקשורת 5G, הביקוש בשוק גדל באופן אקספוננציאלי.

 

5. תרחישי יישום מובחנים

 

SiC בדרגה קרמית משמש כ"סוס עבודה תעשייתי" בעיקר עבור יישומים מבניים. הודות לתכונותיו המכניות המצוינות (קשיות גבוהה, עמידות בפני שחיקה) ותכונותיו התרמיות (עמידות בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני חמצון), הוא מצטיין ב:

 

• חומרי שיוף (גלגלי השחזה, נייר זכוכית)
• חומרים חסיני אש (ריפודי כבשן עמידים בטמפרטורה גבוהה)
• רכיבים עמידים בפני שחיקה/קורוזיה (גופי משאבה, ציפויי צנרת)

 

רכיבים מבניים קרמיים מסיליקון קרביד

 

SiC ברמת מוליכים למחצה מתפקד כ"אליטה אלקטרונית", תוך ניצול תכונות המוליכים למחצה רחבות הפער שלה כדי להדגים יתרונות ייחודיים במכשירים אלקטרוניים:

 

• התקני חשמל: ממירים לרכבים חשמליים, ממירים לרשת החשמל (שיפור יעילות המרת החשמל)
• התקני RF: תחנות בסיס 5G, מערכות מכ"ם (המאפשרות תדרי פעולה גבוהים יותר)
• אופטואלקטרוניקה: חומר מצע עבור נוריות LED כחולות

 

פרוסת סיליקון אפיטקסיאלית בגודל 200 מילימטר

 

מֵמַד	SiC בדרגת קרמיקה	SiC ברמת מוליכים למחצה
מבנה גבישי	פולי-קריסטלי, פולי-טיפוסים מרובים	גביש יחיד, פוליסוגים שנבחרו בקפדנות
מיקוד בתהליך	צפיפות ובקרת צורה	בקרת איכות גבישים ותכונות חשמליות
עדיפות ביצועים	חוזק מכני, עמידות בפני קורוזיה, יציבות תרמית	תכונות חשמליות (פער מתח, שדה פריצה וכו')
תרחישי יישום	רכיבים מבניים, חלקים עמידים בפני שחיקה, רכיבים בטמפרטורה גבוהה	מכשירים בעלי הספק גבוה, מכשירים בתדר גבוה, מכשירים אופטואלקטרוניים
מניעי עלות	גמישות בתהליך, עלות חומרי גלם	קצב גידול גבישים, דיוק ציוד, טוהר חומרי גלם

 

לסיכום, ההבדל המהותי נובע מהמטרות הפונקציונליות הייחודיות שלהם: SiC בדרגה קרמית משתמש ב"צורה (מבנה)" בעוד ש-SiC בדרגה מוליכים למחצה משתמש ב"תכונות (חשמליות)". הראשון שואף לביצועים מכניים/תרמיים חסכוניים, בעוד שהשני מייצג את פסגת טכנולוגיית הכנת החומרים כחומר פונקציונלי גבישי יחיד בעל טוהר גבוה. למרות שיש להם את אותו מקור כימי, SiC בדרגה קרמית ובדרגת מוליכים למחצה מציגים הבדלים ברורים בטוהר, במבנה הגבישי ובתהליכי הייצור - אך שניהם תורמים תרומה משמעותית לייצור תעשייתי ולקידום טכנולוגי בתחומים שלהם.