เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์เทียบกับเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์: วัสดุเดียวกันที่มีชะตากรรมที่แตกต่างกันสองแบบ

1. ข้อกำหนดความบริสุทธิ์ที่แตกต่างกันสำหรับวัตถุดิบ

 

SiC เกรดเซรามิกมีข้อกำหนดความบริสุทธิ์ที่ค่อนข้างผ่อนปรนสำหรับวัตถุดิบผง โดยทั่วไป ผลิตภัณฑ์เกรดเชิงพาณิชย์ที่มีความบริสุทธิ์ 90%-98% สามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานส่วนใหญ่ได้ แม้ว่าเซรามิกโครงสร้างประสิทธิภาพสูงอาจต้องการความบริสุทธิ์ 98%-99.5% (เช่น SiC ที่เชื่อมด้วยปฏิกิริยาต้องมีปริมาณซิลิคอนอิสระที่ควบคุมได้) SiC สามารถทนต่อสิ่งเจือปนบางชนิดได้ และบางครั้งอาจใช้สารช่วยเผาผนึก เช่น อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) หรืออิตเทรียมออกไซด์ (Y₂O₃) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาผนึก ลดอุณหภูมิการเผาผนึก และเพิ่มความหนาแน่นของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

 

SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์ต้องการระดับความบริสุทธิ์ที่เกือบสมบูรณ์แบบ SiC ผลึกเดี่ยวเกรดซับสเตรตต้องการความบริสุทธิ์ ≥99.9999% (6N) โดยการใช้งานระดับสูงบางประเภทต้องการความบริสุทธิ์ 7N (99.99999%) ชั้นเอพิแทกเซียลต้องรักษาความเข้มข้นของสิ่งเจือปนให้ต่ำกว่า 10¹⁶ อะตอม/ลูกบาศก์เซนติเมตร (โดยเฉพาะอย่างยิ่งการหลีกเลี่ยงสิ่งเจือปนระดับลึก เช่น B, Al และ V) แม้แต่สิ่งเจือปนปริมาณเล็กน้อย เช่น เหล็ก (Fe), อะลูมิเนียม (Al) หรือโบรอน (B) ก็สามารถส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าโดยทำให้เกิดการกระเจิงของตัวพา ลดความเข้มของสนามไฟฟ้าสลาย และท้ายที่สุดก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ ซึ่งจำเป็นต้องมีการควบคุมสิ่งเจือปนอย่างเข้มงวด

 

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์

 

2. โครงสร้างผลึกและคุณภาพที่โดดเด่น

 

SiC เกรดเซรามิกส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของผงโพลีคริสตัลไลน์หรือวัตถุซินเทอร์ที่ประกอบด้วยไมโครคริสตัลไลน์ SiC จำนวนมากที่วางตัวแบบสุ่ม วัสดุนี้อาจมีโพลีไทป์หลายชนิด (เช่น α-SiC, β-SiC) โดยไม่มีการควบคุมโพลีไทป์เฉพาะอย่างเข้มงวด แต่จะเน้นที่ความหนาแน่นและความสม่ำเสมอของวัสดุโดยรวมแทน โครงสร้างภายในมีขอบเกรนและรูพรุนขนาดเล็กมาก และอาจมีสารช่วยซินเทอร์ (เช่น Al₂O₃, Y₂O₃)

 

SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์ต้องเป็นแผ่นรองรับผลึกเดี่ยวหรือชั้นอิพิแทกเซียลที่มีโครงสร้างผลึกที่เรียงตัวกันอย่างหนาแน่น ต้องใช้โพลีไทป์เฉพาะที่ได้จากเทคนิคการเจริญเติบโตของผลึกที่แม่นยำ (เช่น 4H-SiC, 6H-SiC) คุณสมบัติทางไฟฟ้า เช่น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและแบนด์แก๊ป มีความไวสูงต่อการคัดเลือกโพลีไทป์ จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างเข้มงวด ปัจจุบัน 4H-SiC ครองตลาดเนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า รวมถึงการเคลื่อนที่ของพาหะที่สูงและความเข้มของสนามไฟฟ้าสลายตัว ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า

 

3. การเปรียบเทียบความซับซ้อนของกระบวนการ

 

SiC เกรดเซรามิกใช้กระบวนการผลิตที่ค่อนข้างเรียบง่าย (การเตรียมผง → การขึ้นรูป → การเผาผนึก) ซึ่งคล้ายกับ "การทำอิฐ" กระบวนการนี้ประกอบด้วย:

 

• การผสมผง SiC เกรดเชิงพาณิชย์ (โดยทั่วไปมีขนาดไมครอน) กับสารยึดเกาะ
• การขึ้นรูปโดยการกด
• การเผาที่อุณหภูมิสูง (1600-2200°C) เพื่อให้ได้ความหนาแน่นผ่านการแพร่กระจายของอนุภาค
  การใช้งานส่วนใหญ่สามารถพึงพอใจได้หากมีความหนาแน่นมากกว่า 90% กระบวนการทั้งหมดไม่จำเป็นต้องควบคุมการเติบโตของผลึกอย่างแม่นยำ แต่มุ่งเน้นที่ความสม่ำเสมอของการขึ้นรูปและการเผาแทน ข้อดีคือความยืดหยุ่นของกระบวนการสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อน แม้ว่าจะมีข้อกำหนดความบริสุทธิ์ที่ค่อนข้างต่ำกว่า

 

SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์มีกระบวนการที่ซับซ้อนกว่ามาก (การเตรียมผงที่มีความบริสุทธิ์สูง → การเจริญเติบโตของสารตั้งต้นผลึกเดี่ยว → การสะสมเวเฟอร์เอพิแทกเซียล → การผลิตอุปกรณ์) ขั้นตอนสำคัญประกอบด้วย:

 

• การเตรียมสารตั้งต้นโดยวิธีขนส่งไอทางกายภาพ (PVT) เป็นหลัก
• การระเหิดของผง SiC ในสภาวะที่รุนแรง (2200-2400°C สุญญากาศสูง)
• การควบคุมอุณหภูมิ (±1°C) และพารามิเตอร์ความดันที่แม่นยำ
• การเจริญเติบโตของชั้นเอพิแทกเซียลผ่านการสะสมไอเคมี (CVD) เพื่อสร้างชั้นที่มีการเจือปนที่มีความหนาสม่ำเสมอ (โดยทั่วไปมีขนาดหลายไมครอนถึงหลายสิบไมครอน)
  กระบวนการทั้งหมดต้องอาศัยสภาพแวดล้อมที่สะอาดเป็นพิเศษ (เช่น ห้องคลีนรูมระดับ 10) เพื่อป้องกันการปนเปื้อน คุณสมบัติเด่น ได้แก่ ความแม่นยำของกระบวนการขั้นสูง จำเป็นต้องควบคุมสนามความร้อนและอัตราการไหลของก๊าซ โดยมีข้อกำหนดที่เข้มงวดทั้งในเรื่องความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบ (>99.9999%) และความซับซ้อนของอุปกรณ์

 

4. ความแตกต่างของต้นทุนและทิศทางตลาดที่สำคัญ

 

คุณสมบัติของ SiC เกรดเซรามิก:

• วัตถุดิบ: ผงเกรดเชิงพาณิชย์
• กระบวนการที่ค่อนข้างเรียบง่าย
• ต้นทุนต่ำ: หลายพันถึงหลายหมื่นหยวนต่อตัน
• การใช้งานที่กว้างขวาง: วัสดุขัด วัสดุทนไฟ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่คำนึงถึงต้นทุน

 

คุณสมบัติ SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์:

• วงจรการเจริญเติบโตของสารตั้งต้นที่ยาวนาน
• การควบคุมข้อบกพร่องที่ท้าทาย
• อัตราผลตอบแทนต่ำ
• ต้นทุนสูง: หลายพันดอลลาร์สหรัฐต่อแผ่นรองรับขนาด 6 นิ้ว
• ตลาดเป้าหมาย: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง เช่น อุปกรณ์ไฟฟ้าและส่วนประกอบ RF
  ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของยานยนต์พลังงานใหม่และการสื่อสาร 5G ทำให้ความต้องการของตลาดเติบโตแบบก้าวกระโดด

 

5. สถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

 

SiC เกรดเซรามิกทำหน้าที่เป็น “เครื่องมือสำหรับงานอุตสาหกรรม” โดยเฉพาะสำหรับงานโครงสร้าง ด้วยคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม (ความแข็งสูง ทนทานต่อการสึกหรอ) และคุณสมบัติทางความร้อน (ทนทานต่ออุณหภูมิสูง ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชัน) จึงโดดเด่นในด้าน:

 

• สารกัดกร่อน (ล้อเจียร กระดาษทราย)
• วัสดุทนไฟ (วัสดุบุเตาเผาอุณหภูมิสูง)
• ส่วนประกอบที่ทนทานต่อการสึกหรอ/การกัดกร่อน (ตัวปั๊ม, ท่อบุ)

 

ส่วนประกอบโครงสร้างเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์

 

SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์ทำหน้าที่เป็น "กลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ชั้นนำ" โดยใช้คุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างเพื่อแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์:

 

• อุปกรณ์พลังงาน: อินเวอร์เตอร์ EV, ตัวแปลงกริด (ปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน)
• อุปกรณ์ RF: สถานีฐาน 5G, ระบบเรดาร์ (เปิดใช้งานความถี่การทำงานที่สูงขึ้น)
• ออปโตอิเล็กทรอนิกส์: วัสดุพื้นผิวสำหรับ LED สีน้ำเงิน

 

เวเฟอร์เอพิแทกเซียล SiC ขนาด 200 มิลลิเมตร

 

มิติ	SiC เกรดเซรามิก	SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์
โครงสร้างผลึก	โพลีคริสตัลไลน์ โพลีไทป์หลายชนิด	ผลึกเดี่ยว โพลีไทป์ที่คัดเลือกอย่างเข้มงวด
โฟกัสกระบวนการ	การเพิ่มความหนาแน่นและการควบคุมรูปร่าง	การควบคุมคุณภาพคริสตัลและคุณสมบัติทางไฟฟ้า
ลำดับความสำคัญของประสิทธิภาพ	ความแข็งแรงทางกล ทนทานต่อการกัดกร่อน เสถียรภาพทางความร้อน	คุณสมบัติทางไฟฟ้า (แบนด์แก๊ป, สนามเบรกดาวน์ ฯลฯ)
สถานการณ์การใช้งาน	ส่วนประกอบโครงสร้าง ส่วนประกอบที่ทนทานต่อการสึกหรอ ส่วนประกอบที่ทนความร้อนสูง	อุปกรณ์กำลังสูง อุปกรณ์ความถี่สูง อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์
ตัวขับเคลื่อนต้นทุน	ความยืดหยุ่นของกระบวนการ ต้นทุนวัตถุดิบ	อัตราการเติบโตของผลึก ความแม่นยำของอุปกรณ์ ความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบ

 

โดยสรุปแล้ว ความแตกต่างพื้นฐานเกิดจากวัตถุประสงค์การใช้งานที่แตกต่างกัน SiC เกรดเซรามิกใช้ “รูปแบบ (โครงสร้าง)” ในขณะที่ SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์ใช้ “คุณสมบัติ (ไฟฟ้า)” SiC เกรดเซรามิกมุ่งเน้นประสิทธิภาพเชิงกล/ความร้อนที่คุ้มค่า ในขณะที่ SiC เกรดเซมิคอนดักเตอร์ถือเป็นเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุขั้นสูงสุดในฐานะวัสดุผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูง แม้จะมีแหล่งกำเนิดทางเคมีเดียวกัน แต่ SiC เกรดเซรามิกและเกรดเซมิคอนดักเตอร์ก็มีความแตกต่างอย่างชัดเจนในด้านความบริสุทธิ์ โครงสร้างผลึก และกระบวนการผลิต แต่ทั้งสองต่างก็มีส่วนสำคัญต่อการผลิตทางอุตสาหกรรมและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในแต่ละสาขา