Применение β-карбида кремния (β-SiC) в полупроводниковой промышленности
β-SiC, также известный как 3C-SiC, имеет кубическую кристаллическую структуру типа цинковой обманки и является метастабильной фазой. Он отличается от коммерчески доминирующего 4H-SiC (гексагональная α-фаза), используемого в силовых устройствах. Он имеет ширину запрещенной зоны приблизительно 2,36 эВ, высокую подвижность электронов, поддерживает гетероэпитаксию на кремниевых подложках и обеспечивает превосходную термостойкость, устойчивость к плазменному травлению и радиационную стойкость. Он предлагает очевидные экономические преимущества для крупномасштабного производства, хотя массовое производство объемных монокристаллических подложек остается сложной задачей. Его применение в полупроводниках подразделяется на пять основных категорий: расходные материалы для полупроводниковых процессов, эпитаксия и силовые устройства, упаковочные материалы, электроника для экстремальных условий окружающей среды и оптоэлектроника.
1. Основные расходные материалы для оборудования для травления/осаждения полупроводников (серийного производства)
- Фокусирующее кольцо для пластины / краевое кольцо (CVD-β-SiC) Высокочистый плотный CVD-β-SiC (чистота ≥99,99999%). Устанавливается внутри плазменных травильных установок и камер CVD, окружая кремниевые/SiC пластины. Модулирует потенциал плазменного слоя для улучшения равномерности травления по всей пластине и снижения количества отходов, связанных с кромками. Устойчиво к плазменной эрозии на основе фтора и хлора, генерирует минимальное загрязнение частицами и обеспечивает более длительный срок службы, чем кварцевые или кремниевые кольца. Широко используется для 8-дюймовых и 12-дюймовых технологических узлов до 5 нм.
- Вкладыши камер, покрытия для подложки, компоненты газовых душевых головок обладают высокой чистотой, устойчивостью к плазменной коррозии и высокой теплопроводностью. Используются в качестве конструкционных элементов и защитных покрытий для камер травления, PVD и CVD для предотвращения загрязнения подложек металлическими частицами.
2. Эпитаксия и силовые полупроводниковые приборы (НИОКР и мелкосерийное производство)
- Гетероэпитаксиальные тонкие пленки β-SiC на кремниевых подложках. β-SiC можно выращивать непосредственно на кремниевых пластинах большого размера, обходя высокую стоимость и производственные узкие места, связанные с подложками 4H-SiC большого диаметра, что позволяет использовать рабочие процессы с пластинами размером 8–12 дюймов.
- Диоды Шоттки SBD, MOSFET : низкое падение напряжения в открытом состоянии и высокая скорость переключения. Предназначены для преобразования энергии в средне- и низковольтных системах, источников питания постоянного тока и приводов двигателей. Больше подходят для средне- и низковольтных диапазонов; уступают 4H-SiC в высоковольтных сценариях.
- Гетеропереходные устройства α-SiC/β-SiC : Использование смещения ширины запрещенной зоны между двумя полиморфными модификациями в гетеропереходных биполярных транзисторах для повышения эффективности инжекции носителей заряда в высокотемпературных схемах.
Примечание: Монокристаллические подложки из β-SiC в больших объемах не производятся в промышленных масштабах. В большинстве случаев их применение основано на эпитаксиальных тонких пленках .
3. Интерпозер TGV для высокопроизводительной упаковки микросхем ИИ (передовые исследования и разработки)
Интерпозеры из β-SiC служат в качестве подложек для сквозных стеклянных переходных отверстий (TGV) при упаковке высокопроизводительных графических процессоров (GPU) и модулей памяти HBM.
- Теплопроводность: 200–300 Вт/м·К, низкий коэффициент теплового расширения, высокая механическая жесткость и низкие высокочастотные потери.
- Превосходит стеклянные межсоединители по теплоотводу для сверхмощных чипов искусственного интеллекта. Интегрирован с медной металлизацией и вертикальными переходными отверстиями TGV для обеспечения высокой плотности межсоединений между чипами. Перспективный материал-кандидат для передовой упаковки следующего поколения.
4. Высокотемпературные и радиационно-стойкие электронные устройства (аэрокосмическая, атомная промышленность)
- Высокотемпературные датчики и детекторы: длительная эксплуатация при температурах выше 600 °C для измерения давления и температуры в авиационных двигателях и при разведке скважин.
- Радиационная стойкость интегральных схем: применяется в спутниках и системах, связанных с ядерной энергетикой. Выдерживает воздействие нейтронов и высокоэнергетических ионов с низким током утечки для космической электроники.
- MESFET — радиочастотные микроволновые устройства для 5G и радаров. β-SiC обладает изотропной подвижностью электронов и благоприятными высокочастотными характеристиками; в настоящее время используется только в лабораторных прототипах и не может заменить полуизолирующие подложки из 4H-SiC в коммерческом плане.
5. Оптоэлектроника
- Фотодетекторы УФ-излучения : Широкая запрещенная зона позволяет обнаруживать ультрафиолетовое излучение без реакции на видимый свет, используются для контроля пламени и систем предупреждения об ультрафиолетовом излучении.
- Исследования и разработки в области коротковолновых УФ-светодиодов: целевое излучение в диапазоне 200–400 нм, пока на лабораторном этапе без крупномасштабного промышленного производства.
6. Высокочистый порошок β-SiC для использования в качестве сырья для производства полупроводников.
- Исходный материал для CVD-покрытий из карбида кремния и для изготовления фокусирующих колец методом CVD.
- Сырье для выращивания монокристаллов SiC и мишеней для магнетронного распыления.
- Наполнитель для теплопроводящих композитных упаковочных материалов, улучшающий рассеивание тепла подложкой.
Таблица сравнения полупроводников β-SiC и 4H-SiC (α-SiC).
лист
| Элемент | β-SiC (3C-SiC) | 4H-SiC (α-SiC, основной класс для силовых приборов) |
|---|---|---|
| Кристаллическая структура | Кубическая, метастабильная | Гексагональная, термодинамически стабильная |
| Ширина запрещенной зоны | 2,36 эВ | 3,26 эВ |
| Преимущества | Возможность гетероэпитаксии на основе кремния, большие размеры кристаллов, превосходная устойчивость к плазме, изотропная подвижность. | Высокая прочность на пробой, отработанные высоковольтные силовые приборы, возможность массового производства объемных подложек. |
| Основные коммерческие приложения | Фокусирующие кольца CVD, компоненты камеры, эпитаксия SiC на Si, межсоединительные элементы для усовершенствованной упаковки. | Транспортные средства на новых источниках энергии, фотоэлектрические высоковольтные MOSFET-транзисторы и SBD-транзисторы. |
Краткое описание: Крупнейший существующий коммерческий рынок полупроводников для β-SiC — это расходные материалы для процесса CVD-SiC, такие как фокусирующие кольца/краевые кольца. В области силовых устройств доминируют исследования и разработки в области эпитаксии β-SiC на основе кремния. Межсоединительные пластины TGV представляют собой перспективное направление следующего поколения. 4H-SiC остается основным полиморфом для высоковольтных силовых полупроводников.
