Siliziumkarbidkeramik vs. Halbleiter-Siliziumkarbid: Dasselbe Material mit zwei unterschiedlichen Schicksalen

1. Unterschiedliche Reinheitsanforderungen an Rohstoffe

 

Für SiC in Keramikqualität gelten relativ geringe Reinheitsanforderungen an das Ausgangspulver. Handelsübliche Produkte mit einer Reinheit von 90–98 % erfüllen die meisten Anwendungsanforderungen, während für Hochleistungsstrukturkeramiken Reinheitsgrade von 98–99,5 % erforderlich sein können (z. B. erfordert reaktionsgebundenes SiC einen kontrollierten freien Siliziumgehalt). SiC toleriert bestimmte Verunreinigungen und enthält manchmal absichtlich Sinterhilfsmittel wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Yttriumoxid (Y₂O₃), um die Sinterleistung zu verbessern, die Sintertemperatur zu senken und die Dichte des Endprodukts zu erhöhen.

 

SiC in Halbleiterqualität erfordert nahezu perfekte Reinheitsgrade. Substrat-Einkristall-SiC erfordert eine Reinheit von ≥99,9999 % (6N), wobei einige High-End-Anwendungen eine Reinheit von 7N (99,99999 %) erfordern. Epitaktische Schichten müssen eine Verunreinigungskonzentration von unter 10¹⁶ Atomen/cm³ aufweisen (insbesondere unter Vermeidung tiefer Verunreinigungen wie B, Al und V). Selbst Spuren von Verunreinigungen wie Eisen (Fe), Aluminium (Al) oder Bor (B) können die elektrischen Eigenschaften stark beeinträchtigen, indem sie Trägerstreuung verursachen, die Durchbruchfeldstärke verringern und letztendlich die Leistung und Zuverlässigkeit des Geräts beeinträchtigen, was eine strenge Verunreinigungskontrolle erforderlich macht.

 

Siliziumkarbid-Halbleitermaterial

 

2. Unterschiedliche Kristallstrukturen und -qualität

 

SiC in Keramikqualität liegt hauptsächlich als polykristallines Pulver oder als Sinterkörper aus zahlreichen zufällig angeordneten SiC-Mikrokristallen vor. Das Material kann mehrere Polytypen (z. B. α-SiC, β-SiC) enthalten, ohne dass eine strenge Kontrolle über bestimmte Polytypen erfolgt. Der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Gesamtdichte und Gleichmäßigkeit des Materials. Die innere Struktur weist zahlreiche Korngrenzen und mikroskopische Poren auf und kann Sinterhilfsmittel (z. B. Al₂O₃, Y₂O₃) enthalten.

 

Halbleitertaugliches SiC muss aus Einkristallsubstraten oder epitaktischen Schichten mit hochgeordneten Kristallstrukturen bestehen. Es erfordert spezielle Polytypen, die durch präzise Kristallwachstumstechniken gewonnen werden (z. B. 4H-SiC, 6H-SiC). Elektrische Eigenschaften wie Elektronenbeweglichkeit und Bandlücke sind extrem empfindlich gegenüber der Polytypauswahl und erfordern eine strenge Kontrolle. Derzeit dominiert 4H-SiC den Markt aufgrund seiner überlegenen elektrischen Eigenschaften, darunter hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und Durchbruchfeldstärke, und eignet sich daher ideal für Leistungsbauelemente.

 

3. Vergleich der Prozesskomplexität

 

Für die Herstellung von SiC in Keramikqualität werden relativ einfache Herstellungsverfahren (Pulveraufbereitung → Formgebung → Sintern) verwendet, die mit der Ziegelherstellung vergleichbar sind. Der Prozess umfasst:

 

• Mischen von handelsüblichem SiC-Pulver (typischerweise Mikrongröße) mit Bindemitteln
• Umformen durch Pressen
• Hochtemperatursintern (1600–2200 °C) zur Verdichtung durch Partikeldiffusion
  Die meisten Anwendungen können mit einer Dichte von über 90 % erfüllt werden. Der gesamte Prozess erfordert keine präzise Kontrolle des Kristallwachstums, sondern konzentriert sich auf die Formgebung und Sinterkonsistenz. Zu den Vorteilen gehört die Prozessflexibilität für komplexe Formen, allerdings mit relativ geringeren Reinheitsanforderungen.

 

Die Herstellung von SiC in Halbleiterqualität erfordert weitaus komplexere Prozesse (Herstellung hochreiner Pulver → Wachstum einkristalliner Substrate → epitaktische Waferabscheidung → Herstellung der Bauelemente). Zu den wichtigsten Schritten gehören:

 

• Substratvorbereitung hauptsächlich über die physikalische Dampftransportmethode (PVT)
• Sublimation von SiC-Pulver unter extremen Bedingungen (2200-2400°C, Hochvakuum)
• Präzise Steuerung von Temperaturgradienten (±1 °C) und Druckparametern
• Epitaktisches Schichtwachstum durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) zur Erzeugung gleichmäßig dicker, dotierter Schichten (typischerweise mehrere bis zehn Mikrometer)
  Der gesamte Prozess erfordert ultrareine Umgebungen (z. B. Reinräume der Klasse 10), um Verunreinigungen zu vermeiden. Zu den Merkmalen gehört eine extreme Prozesspräzision, die die Kontrolle von Wärmefeldern und Gasdurchflussraten erfordert, sowie strenge Anforderungen an die Reinheit der Rohstoffe (>99,9999 %) und die Komplexität der Ausrüstung.

 

4. Erhebliche Kostenunterschiede und Marktorientierungen

 

Eigenschaften von SiC in Keramikqualität:

• Rohstoff: Handelsübliches Pulver
• Relativ einfache Prozesse
• Niedrige Kosten: Tausende bis Zehntausende RMB pro Tonne
• Breites Anwendungsspektrum: Schleifmittel, Feuerfestmaterialien und andere kostensensible Branchen

 

Merkmale von SiC in Halbleiterqualität:

• Lange Substratwachstumszyklen
• Anspruchsvolle Fehlerkontrolle
• Niedrige Renditen
• Hohe Kosten: Tausende von USD pro 6-Zoll-Substrat
• Fokussierte Märkte: Hochleistungselektronik wie Leistungsgeräte und HF-Komponenten
  Mit der rasanten Entwicklung von Fahrzeugen mit neuer Energie und der 5G-Kommunikation wächst die Marktnachfrage exponentiell.

 

5. Differenzierte Anwendungsszenarien

 

SiC in Keramikqualität dient als „industrielles Arbeitspferd“ vor allem für strukturelle Anwendungen. Dank seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften (hohe Härte, Verschleißfestigkeit) und thermischen Eigenschaften (hohe Temperaturbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit) zeichnet es sich durch folgende Eigenschaften aus:

 

• Schleifmittel (Schleifscheiben, Schleifpapier)
• Feuerfestmaterialien (Hochtemperatur-Ofenauskleidungen)
• Verschleiß-/korrosionsbeständige Komponenten (Pumpenkörper, Rohrauskleidungen)

 

Strukturbauteile aus Siliziumkarbidkeramik

 

SiC in Halbleiterqualität ist die „elektronische Elite“ und nutzt seine Halbleitereigenschaften mit großer Bandlücke, um einzigartige Vorteile in elektronischen Geräten zu demonstrieren:

 

• Stromversorgungsgeräte: Wechselrichter für Elektrofahrzeuge, Netzkonverter (Verbesserung der Effizienz der Stromumwandlung)
• HF-Geräte: 5G-Basisstationen, Radarsysteme (ermöglichen höhere Betriebsfrequenzen)
• Optoelektronik: Substratmaterial für blaue LEDs

 

200-Millimeter-SiC-Epitaxiewafer

 

Dimension	Keramik-SiC	Halbleiter-SiC
Kristallstruktur	Polykristallin, mehrere Polytypen	Einkristall, streng ausgewählte Polytypen
Prozessfokus	Verdichtung und Formkontrolle	Kontrolle der Kristallqualität und der elektrischen Eigenschaften
Leistungspriorität	Mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, thermische Stabilität	Elektrische Eigenschaften (Bandlücke, Durchbruchfeld usw.)
Anwendungsszenarien	Strukturbauteile, Verschleißteile, Hochtemperaturbauteile	Hochleistungsgeräte, Hochfrequenzgeräte, optoelektronische Geräte
Kostentreiber	Prozessflexibilität, Rohstoffkosten	Kristallwachstumsrate, Gerätepräzision, Reinheit des Rohmaterials

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der grundlegende Unterschied in den unterschiedlichen funktionalen Zwecken liegt: Keramik-SiC nutzt die „Form (Struktur)“, während Halbleiter-SiC die „Eigenschaften (elektrisch)“ nutzt. Ersteres zielt auf kostengünstige mechanische/thermische Leistung ab, während letzteres als hochreiner, einkristalliner Funktionswerkstoff den Höhepunkt der Materialaufbereitungstechnologie darstellt. Obwohl sie denselben chemischen Ursprung haben, weisen Keramik- und Halbleiter-SiC deutliche Unterschiede in Reinheit, Kristallstruktur und Herstellungsprozessen auf – dennoch leisten beide einen bedeutenden Beitrag zur industriellen Produktion und zum technologischen Fortschritt in ihren jeweiligen Bereichen.