Ứng dụng của β-Silicon Carbide (β-SiC) trong ngành công nghiệp bán dẫn

β-SiC, còn được gọi là 3C-SiC, có cấu trúc tinh thể lập phương kiểu kẽm blende và là một pha không bền vững. Nó khác với 4H-SiC (pha α lục giác) được sử dụng rộng rãi trên thị trường cho các thiết bị điện tử công suất. Nó có độ rộng vùng cấm khoảng 2,36 eV, độ linh động điện tử cao, hỗ trợ quá trình dị epitaxy trên tấm silicon, và mang lại khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn plasma và khả năng chịu bức xạ tuyệt vời. Nó mang lại lợi thế rõ ràng về chi phí cho sản xuất quy mô lớn, mặc dù việc sản xuất hàng loạt các chất nền đơn tinh thể vẫn còn nhiều thách thức. Các ứng dụng của nó trong chất bán dẫn thuộc năm loại chính: vật liệu tiêu hao cho quy trình bán dẫn, thiết bị epitaxy & điện tử công suất, vật liệu đóng gói, thiết bị điện tử môi trường khắc nghiệt và quang điện tử.

1. Các vật tư tiêu hao chính cho thiết bị khắc/lắng đọng bán dẫn (sản xuất hàng loạt)

1. Vòng hội tụ/Vòng viền wafer (CVD-β-SiC) CVD-β-SiC có độ tinh khiết cao (độ tinh khiết ≥99,99999%). Được lắp đặt bên trong máy khắc plasma và buồng CVD, bao quanh các wafer Si/SiC. Nó điều chỉnh điện thế lớp vỏ plasma để cải thiện độ đồng nhất của quá trình khắc trên toàn bộ wafer và giảm tỷ lệ phế phẩm liên quan đến cạnh. Chống lại sự ăn mòn plasma gốc flo và clo, tạo ra lượng ô nhiễm hạt tối thiểu và có tuổi thọ cao hơn so với vòng thạch anh hoặc silicon. Được sử dụng rộng rãi cho các nút công nghệ tiên tiến 8 inch và 12 inch xuống đến 5 nm.
2. Các lớp lót buồng, lớp phủ chất hấp thụ, các bộ phận đầu phun khí được hưởng lợi từ độ tinh khiết cao, khả năng chống ăn mòn plasma và độ dẫn nhiệt cao. Được sử dụng làm các bộ phận cấu trúc và lớp phủ bảo vệ cho các buồng khắc, PVD và CVD để giảm thiểu sự nhiễm bẩn kim loại lên các tấm wafer.

2. Các thiết bị bán dẫn công suất và màng mỏng (Nghiên cứu & Phát triển & Sản xuất theo lô nhỏ)

1. Màng mỏng β-SiC dị hướng trên chất nền silicon: β-SiC có thể được nuôi cấy trực tiếp trên các tấm wafer silicon kích thước lớn, khắc phục được chi phí cao và các nút thắt trong sản xuất của chất nền 4H-SiC đường kính lớn, cho phép thực hiện quy trình làm việc trên wafer 8-12 inch.

• Điốt Schottky SBD, MOSFET : Điện áp rơi khi bật thấp và hiệu suất chuyển mạch nhanh. Nhắm đến các ứng dụng chuyển đổi nguồn điện áp trung bình-thấp, nguồn DC-DC và điều khiển động cơ. Phù hợp hơn cho dải điện áp trung bình và thấp; kém hơn so với 4H-SiC trong các trường hợp điện áp cao.
• Các thiết bị dị cấu trúc α-SiC/β-SiC : Tận dụng sự chênh lệch khe năng lượng giữa hai dạng thù hình để tạo ra các transistor lưỡng cực dị cấu trúc nhằm nâng cao hiệu quả bơm điện tích cho các mạch hoạt động ở nhiệt độ cao.

Lưu ý: Các chất nền β-SiC đơn tinh thể dạng khối không được sản xuất hàng loạt trên thị trường. Hầu hết việc ứng dụng dựa trên các màng mỏng kết tinh theo phương pháp epitaxy .

3. Bộ chuyển đổi TGV cho bao bì chip AI cao cấp (Nghiên cứu và phát triển tiên tiến)

Các lớp trung gian β-SiC đóng vai trò là chất nền TGV-through-glass-via cho việc đóng gói GPU và HBM hiệu năng cao.

• Độ dẫn nhiệt: 200-300 W/m·K, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ cứng cơ học cao và tổn hao tần số cao thấp.
• Vượt trội hơn các lớp trung gian bằng kính về khả năng tản nhiệt cho các chip AI công suất cực cao. Được tích hợp với lớp mạ đồng và các lỗ dẫn TGV thẳng đứng để thực hiện kết nối giữa các chip với mật độ cao. Một vật liệu tiềm năng cho công nghệ đóng gói tiên tiến thế hệ tiếp theo.

4. Các thiết bị điện tử chịu nhiệt độ cao và chống bức xạ (Hàng không vũ trụ, Công nghiệp hạt nhân)

1. Cảm biến và thiết bị dò nhiệt độ cao: Hoạt động lâu dài ở nhiệt độ trên 600 °C để cảm biến áp suất và nhiệt độ trong động cơ máy bay và thăm dò giếng khoan.
2. Mạch tích hợp chịu bức xạ: Được ứng dụng trong vệ tinh và các hệ thống liên quan đến hạt nhân. Chịu được bức xạ neutron và ion năng lượng cao với dòng rò thấp, thích hợp cho các thiết bị điện tử trên tàu vũ trụ.
3. Các thiết bị vi sóng RF MESFET dành cho 5G và radar. β-SiC có đặc tính độ linh động điện tử đẳng hướng với các đặc tính tần số cao thuận lợi; hiện tại chỉ giới hạn ở các nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm và chưa thay thế được các chất nền 4H-SiC bán cách điện trên thị trường.

5. Quang điện tử

1. Cảm biến quang UV : Dải năng lượng rộng cho phép phát hiện tia cực tím mà không phản ứng với ánh sáng nhìn thấy, được sử dụng trong hệ thống giám sát ngọn lửa và cảnh báo tia cực tím.
2. Nghiên cứu và phát triển đèn LED UV bước sóng ngắn: Nhắm mục tiêu phát xạ trong khoảng 200-400 nm, hiện vẫn đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm mà chưa được sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

6. Bột β-SiC độ tinh khiết cao dùng làm nguyên liệu thô cho ngành công nghiệp bán dẫn thượng nguồn.

1. Vật liệu tiền chất dùng cho lớp phủ CVD-SiC và sản xuất vòng hội tụ CVD.
2. Nguyên liệu đầu vào cho quá trình nuôi cấy tinh thể đơn SiC và các mục tiêu lắng đọng phún xạ.
3. Chất độn cho vật liệu đóng gói composite dẫn nhiệt nhằm tăng cường khả năng tản nhiệt cho chất nền.

Bảng so sánh chất bán dẫn β-SiC và 4H-SiC (α-SiC)

tờ giấy

Tóm tắt: Thị trường thương mại bán dẫn lớn nhất hiện nay cho β-SiC là các vật tư tiêu hao cho quy trình CVD-SiC như vòng hội tụ/vòng viền. Các ứng dụng thiết bị điện tử công suất chủ yếu tập trung vào nghiên cứu và phát triển lớp màng mỏng β-SiC dựa trên silicon. Các lớp trung gian TGV đại diện cho một hướng đi đầy hứa hẹn cho thế hệ tiếp theo. 4H-SiC vẫn là dạng đa tinh thể chủ đạo cho các chất bán dẫn công suất cao.