Il carburo di silicio (SiC) è un composto straordinario che si trova sia nell'industria dei semiconduttori che nei prodotti ceramici avanzati. Questo crea spesso confusione tra i profani, che potrebbero scambiarli per lo stesso tipo di prodotto. In realtà, pur condividendo la stessa composizione chimica, il SiC si presenta sia come ceramiche avanzate resistenti all'usura che come semiconduttori ad alta efficienza, svolgendo ruoli completamente diversi nelle applicazioni industriali. Esistono differenze significative tra i materiali SiC di grado ceramico e di grado semiconduttore in termini di struttura cristallina, processi di produzione, caratteristiche prestazionali e campi di applicazione.
- Requisiti di purezza divergenti per le materie prime
Il SiC di grado ceramico ha requisiti di purezza relativamente flessibili per la sua materia prima in polvere. In genere, i prodotti di grado commerciale con una purezza del 90%-98% possono soddisfare la maggior parte delle esigenze applicative, sebbene le ceramiche strutturali ad alte prestazioni possano richiedere una purezza del 98%-99,5% (ad esempio, il SiC legato per reazione richiede un contenuto di silicio libero controllato). Tollera alcune impurità e talvolta incorpora intenzionalmente coadiuvanti di sinterizzazione come l'ossido di alluminio (Al₂O₃) o l'ossido di ittrio (Y₂O₃) per migliorare le prestazioni di sinterizzazione, abbassare le temperature di sinterizzazione e aumentare la densità del prodotto finale.
Il SiC di grado semiconduttore richiede livelli di purezza quasi perfetti. Il SiC monocristallino di grado substrato richiede una purezza ≥99,9999% (6N), con alcune applicazioni di fascia alta che richiedono una purezza di 7N (99,99999%). Gli strati epitassiali devono mantenere concentrazioni di impurità inferiori a 10¹⁶ atomi/cm³ (evitando in particolare impurità profonde come B, Al e V). Anche tracce di impurità come ferro (Fe), alluminio (Al) o boro (B) possono influire gravemente sulle proprietà elettriche causando dispersione dei portatori, riducendo l'intensità del campo di rottura e, in definitiva, compromettendo le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo, rendendo necessario un rigoroso controllo delle impurità.
Materiale semiconduttore in carburo di silicio
- Strutture cristalline distinte e qualità
Il SiC di grado ceramico si presenta principalmente come polvere policristallina o corpi sinterizzati composti da numerosi microcristalli di SiC orientati in modo casuale. Il materiale può contenere più politipi (ad esempio, α-SiC, β-SiC) senza uno stretto controllo su specifici politipi, concentrandosi invece sulla densità e l'uniformità complessive del materiale. La sua struttura interna presenta abbondanti bordi di grano e pori microscopici e può contenere coadiuvanti di sinterizzazione (ad esempio, Al₂O₃, Y₂O₃).
Il SiC di grado semiconduttore deve essere costituito da substrati monocristallini o strati epitassiali con strutture cristalline altamente ordinate. Richiede politipi specifici ottenuti tramite tecniche di crescita cristallina di precisione (ad esempio, 4H-SiC, 6H-SiC). Proprietà elettriche come la mobilità elettronica e il bandgap sono estremamente sensibili alla selezione del politipo, richiedendo un controllo rigoroso. Attualmente, il 4H-SiC domina il mercato grazie alle sue proprietà elettriche superiori, tra cui l'elevata mobilità dei portatori e l'intensità del campo di breakdown, che lo rendono ideale per i dispositivi di potenza.
- Confronto della complessità del processo
Il SiC di grado ceramico impiega processi di produzione relativamente semplici (preparazione della polvere → formatura → sinterizzazione), analoghi alla "fabbricazione di mattoni". Il processo prevede:
- Miscelazione di polvere di SiC di qualità commerciale (tipicamente di dimensioni micron) con leganti
- Formatura tramite pressatura
- Sinterizzazione ad alta temperatura (1600-2200°C) per ottenere la densificazione tramite diffusione di particelle
La maggior parte delle applicazioni può essere soddisfatta con una densità >90%. L'intero processo non richiede un controllo preciso della crescita dei cristalli, concentrandosi invece sulla consistenza della formatura e della sinterizzazione. I vantaggi includono la flessibilità di processo per forme complesse, sebbene con requisiti di purezza relativamente inferiori.
Il SiC di grado semiconduttore prevede processi molto più complessi (preparazione di polvere ad alta purezza → crescita del substrato monocristallino → deposizione epitassiale del wafer → fabbricazione del dispositivo). I passaggi chiave includono:
- Preparazione del substrato principalmente tramite il metodo di trasporto fisico del vapore (PVT)
- Sublimazione della polvere di SiC in condizioni estreme (2200-2400°C, alto vuoto)
- Controllo preciso dei gradienti di temperatura (±1°C) e dei parametri di pressione
- Crescita dello strato epitassiale tramite deposizione chimica da vapore (CVD) per creare strati drogati uniformemente spessi (in genere da diversi a decine di micron)
L'intero processo richiede ambienti ultra-puliti (ad esempio, camere bianche di Classe 10) per prevenire la contaminazione. Le caratteristiche includono un'estrema precisione di processo, che richiede il controllo dei campi termici e delle portate del gas, con requisiti rigorosi sia per la purezza delle materie prime (>99,9999%) che per la sofisticatezza delle apparecchiature.
- Differenze di costo significative e orientamenti di mercato
Caratteristiche del SiC di grado ceramico:
- Materia prima: polvere di qualità commerciale
- Processi relativamente semplici
- Basso costo: da migliaia a decine di migliaia di RMB per tonnellata
- Ampie applicazioni: abrasivi, refrattari e altri settori sensibili ai costi
Caratteristiche del SiC di grado semiconduttore:
- Lunghi cicli di crescita del substrato
- Controllo dei difetti impegnativo
- Bassi tassi di rendimento
- Costo elevato: migliaia di dollari per substrato da 6 pollici
- Mercati mirati: elettronica ad alte prestazioni come dispositivi di potenza e componenti RF
Con il rapido sviluppo di veicoli alimentati da nuove energie e delle comunicazioni 5G, la domanda del mercato sta crescendo in modo esponenziale.
- Scenari applicativi differenziati
Il SiC di grado ceramico è il "cavallo di battaglia" industriale, principalmente per applicazioni strutturali. Sfruttando le sue eccellenti proprietà meccaniche (elevata durezza, resistenza all'usura) e termiche (resistenza alle alte temperature, resistenza all'ossidazione), eccelle in:
- Abrasivi (mole, carta vetrata)
- Refrattari (rivestimenti di forni ad alta temperatura)
- Componenti resistenti all'usura/corrosione (corpi pompa, rivestimenti tubi)
Componenti strutturali ceramici in carburo di silicio
Il SiC di grado semiconduttore si comporta come "élite elettronica", sfruttando le sue proprietà di semiconduttore ad ampio bandgap per dimostrare vantaggi unici nei dispositivi elettronici:
- Dispositivi di potenza: inverter per veicoli elettrici, convertitori di rete (miglioramento dell'efficienza di conversione della potenza)
- Dispositivi RF: stazioni base 5G, sistemi radar (che consentono frequenze operative più elevate)
- Optoelettronica: Materiale di substrato per LED blu
Wafer epitassiale SiC da 200 millimetri
| Dimensione | SiC di grado ceramico | SiC di grado semiconduttore |
| Struttura cristallina | Policristallino, politipi multipli | Monocristallino, politipi rigorosamente selezionati |
| Focus sul processo | Densificazione e controllo della forma | Controllo della qualità dei cristalli e delle proprietà elettriche |
| Priorità di prestazione | Resistenza meccanica, resistenza alla corrosione, stabilità termica | Proprietà elettriche (bandgap, campo di breakdown, ecc.) |
| Scenari applicativi | Componenti strutturali, parti resistenti all'usura, componenti ad alta temperatura | Dispositivi ad alta potenza, dispositivi ad alta frequenza, dispositivi optoelettronici |
| Fattori di costo | Flessibilità del processo, costo delle materie prime | Tasso di crescita dei cristalli, precisione dell'attrezzatura, purezza della materia prima |
In sintesi, la differenza fondamentale deriva dai loro distinti scopi funzionali: il SiC di grado ceramico utilizza la "forma (struttura)", mentre il SiC di grado semiconduttore utilizza le "proprietà (elettriche)". Il primo persegue prestazioni meccaniche/termiche economicamente vantaggiose, mentre il secondo rappresenta l'apice della tecnologia di preparazione dei materiali come materiale funzionale monocristallino ad alta purezza. Pur condividendo la stessa origine chimica, il SiC di grado ceramico e quello di grado semiconduttore presentano nette differenze in termini di purezza, struttura cristallina e processi di produzione, ma entrambi apportano contributi significativi alla produzione industriale e al progresso tecnologico nei rispettivi settori.
XKH è un'azienda high-tech specializzata nella ricerca e sviluppo e nella produzione di materiali in carburo di silicio (SiC), che offre servizi di sviluppo personalizzato, lavorazione di precisione e trattamento superficiale che spaziano dalle ceramiche SiC ad alta purezza ai cristalli SiC di grado semiconduttore. Sfruttando tecnologie di preparazione avanzate e linee di produzione intelligenti, XKH fornisce prodotti e soluzioni SiC con prestazioni regolabili (purezza 90%-7N) e struttura controllata (policristallino/monocristallino) per clienti nei settori dei semiconduttori, delle nuove energie, dell'aerospaziale e di altri settori all'avanguardia. I nostri prodotti trovano ampie applicazioni in apparecchiature per semiconduttori, veicoli elettrici, comunicazioni 5G e settori correlati.
Di seguito sono riportati i dispositivi ceramici in carburo di silicio prodotti da XKH.
Data di pubblicazione: 30-lug-2025