การประยุกต์ใช้ β-ซิลิคอนคาร์ไบด์ (β-SiC) ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

β-SiC หรือที่รู้จักกันในชื่อ 3C-SiC มีโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์ซิงค์เบลนด์ และเป็นเฟสที่ไม่เสถียร แตกต่างจาก4H-SiC (เฟสอัลฟาแบบหกเหลี่ยม) ซึ่งเป็นวัสดุหลักที่ใช้ ในอุปกรณ์ไฟฟ้า มีช่องว่างพลังงานประมาณ 2.36 eV มีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง รองรับการเจริญเติบโตแบบเฮเทอโรเอพิแท็กซีบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน และทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดด้วยพลาสมา และทนต่อรังสีได้ดีเยี่ยม มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่เห็นได้ชัดสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ แม้ว่าการผลิตวัสดุพื้นฐานแบบผลึกเดี่ยวจำนวนมากยังคงเป็นเรื่องท้าทาย การใช้งานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็นห้าประเภทหลัก ได้แก่ วัสดุสิ้นเปลืองในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซีและอุปกรณ์ไฟฟ้า วัสดุบรรจุภัณฑ์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับสภาพแวดล้อมสุดขั้ว และอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก

1. วัสดุสิ้นเปลืองที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์กัด/เคลือบเซมิคอนดักเตอร์ (ผลิตจำนวนมาก)

1. วงแหวนโฟกัส/วงแหวนขอบเวเฟอร์ (CVD-β-SiC) ผลิตจาก CVD-β-SiC ที่มีความบริสุทธิ์สูงและหนาแน่น (ความบริสุทธิ์ ≥99.99999%) ติดตั้งอยู่ภายในเครื่องกัดพลาสมาและห้อง CVD ล้อมรอบเวเฟอร์ Si/SiC ทำหน้าที่ปรับศักยภาพของพลาสมาชีทเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอในการกัดทั่วทั้งเวเฟอร์และลดอัตราของเสียที่ขอบ ทนต่อการกัดกร่อนจากพลาสมาที่มีฟลูออรีนและคลอรีน ก่อให้เกิดการปนเปื้อนของอนุภาคเพียงเล็กน้อย และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าวงแหวนควอตซ์หรือซิลิคอน ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วและ 12 นิ้วที่มีเทคโนโลยีขั้นสูงลงไปถึง 5 นาโนเมตร
2. วัสดุบุผนังห้อง วัสดุเคลือบตัวรองรับ และชิ้นส่วนหัวฉีดแก๊ส มีคุณสมบัติเด่นคือความบริสุทธิ์สูง ทนต่อการกัดกร่อนจากพลาสมา และนำความร้อนได้ดี นำไปใช้เป็นชิ้นส่วนโครงสร้างและสารเคลือบป้องกันสำหรับห้องกัดกรด ห้อง PVD และห้อง CVD เพื่อลดการปนเปื้อนของโลหะบนเวเฟอร์

2. การปลูกผลึกแบบเอพิแท็กซีและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง (การวิจัยและพัฒนาและการผลิตจำนวนน้อย)

1. ฟิล์มบาง β-SiC แบบเฮเทอโรเอพิแท็กเซียลบนพื้นผิวซิลิคอน β-SiC สามารถปลูกได้โดยตรงบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงต้นทุนสูงและข้อจำกัดในการผลิตของพื้นผิว 4H-SiC ขนาดใหญ่ ทำให้สามารถใช้งานกับเวเฟอร์ขนาด 8-12 นิ้วได้

• ไดโอด Schottky (SBD) และ MOSFET : แรงดันตกคร่อมขณะเปิดต่ำและประสิทธิภาพการสวิตช์ที่รวดเร็ว เหมาะสำหรับงานแปลงพลังงานแรงดันปานกลางถึงต่ำ แหล่งจ่ายไฟ DC-DC และวงจรขับมอเตอร์ เหมาะสมกว่าสำหรับช่วงแรงดันปานกลางและต่ำ แต่ด้อยกว่า 4H-SiC สำหรับสถานการณ์แรงดันสูง
• อุปกรณ์เฮเทอโรจังก์ชัน α‑SiC / β‑SiC : ใช้ประโยชน์จากความแตกต่างของช่องว่างพลังงานระหว่างโพลีไทป์สองชนิดสำหรับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ชนิดเฮเทอโรจังก์ชัน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการฉีดพาหะสำหรับวงจรที่อุณหภูมิสูง

หมายเหตุ: แผ่นรองพื้น β-SiC แบบผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ยังไม่มีการผลิตในเชิงพาณิชย์ในปริมาณมาก การใช้งานส่วนใหญ่ จึงอาศัยฟิล์มบางแบบเอพิแท็กเซียลแทน

3. ตัวเชื่อมต่อ TGV สำหรับการบรรจุชิป AI ระดับไฮเอนด์ (งานวิจัยและพัฒนาล้ำสมัย)

แผ่นเชื่อมต่อ β-SiC ทำหน้าที่เป็นพื้นผิว TGV-through-glass-via สำหรับการบรรจุภัณฑ์ GPU และ HBM ประสิทธิภาพสูง

• ค่าการนำความร้อน: 200-300 วัตต์/เมตร·เคลวิน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ความแข็งแกร่งเชิงกลสูง และการสูญเสียความถี่สูงต่ำ
• มีประสิทธิภาพเหนือกว่าแผ่นกระจกคั่นกลางในการระบายความร้อนสำหรับชิป AI กำลังสูงพิเศษ ผสานรวมกับการเคลือบโลหะทองแดงและรูเชื่อมต่อ TGV แนวตั้งเพื่อการเชื่อมต่อชิปต่อชิปที่มีความหนาแน่นสูง เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงสำหรับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงรุ่นต่อไป

4. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงและรังสี (อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมนิวเคลียร์)

1. เซ็นเซอร์และตัวตรวจจับอุณหภูมิสูง: ใช้งานได้ยาวนานที่อุณหภูมิสูงกว่า 600 °C สำหรับการตรวจวัดความดันและอุณหภูมิในเครื่องยนต์อากาศยานและการสำรวจใต้ดิน
2. วงจรรวมที่ทนทานต่อรังสี: นำไปใช้ในดาวเทียมและระบบที่เกี่ยวข้องกับนิวเคลียร์ ทนทานต่อการฉายรังสีนิวตรอนและไอออนพลังงานสูง โดยมีกระแสรั่วไหลต่ำ สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอวกาศ
3. อุปกรณ์ไมโครเวฟ RF MESFET สำหรับ 5G และเรดาร์β-SiCมีคุณสมบัติการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบไอโซโทรปิกพร้อมคุณสมบัติความถี่สูงที่เหมาะสม ปัจจุบันยังจำกัดอยู่เพียงต้นแบบในห้องปฏิบัติการและยังไม่สามารถใช้ทดแทนสารตั้งต้น 4H-SiC ที่เป็นฉนวนกึ่งตัวนำในเชิงพาณิชย์ได้

5. ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

1. โฟโตดีเทคเตอร์ยูวี : แถบความถี่กว้างช่วยให้ตรวจจับรังสีอัลตราไวโอเลตได้โดยไม่ตอบสนองต่อแสงที่มองเห็นได้ ใช้ในการตรวจสอบเปลวไฟและระบบเตือนภัยรังสีอัลตราไวโอเลต
2. การวิจัยและพัฒนา LED UV ความยาวคลื่นสั้น: มุ่งเป้าไปที่การปล่อยแสงในช่วง 200-400 นาโนเมตร ซึ่งยังอยู่ในขั้นตอนห้องปฏิบัติการและยังไม่มีการผลิตในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

6. ผง β-SiC ความบริสุทธิ์สูง สำหรับวัตถุดิบต้นน้ำในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

1. วัสดุตั้งต้นสำหรับการเคลือบ CVD-SiC และการผลิตวงแหวนโฟกัส CVD
2. วัตถุดิบสำหรับปลูกผลึกเดี่ยว SiC และเป้าหมายการสปัตเตอร์
3. สารเติมแต่งสำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์คอมโพสิตนำความร้อน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนของวัสดุพื้นฐาน

ตารางเปรียบเทียบสารกึ่งตัวนำ β-SiC กับ 4H-SiC (α-SiC)

แผ่น

สรุป: ตลาดเชิงพาณิชย์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันสำหรับ β-SiC คือ วัสดุสิ้นเปลืองในกระบวนการผลิต CVD-SiC เช่น วงแหวนโฟกัส/วงแหวนขอบ การใช้งานในอุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่มาจากการวิจัยและพัฒนาการปลูกผลึก β-SiC บนซิลิคอน ตัวเชื่อมต่อ TGV แสดงถึงแนวทางที่น่าสนใจสำหรับเทคโนโลยีรุ่นต่อไป 4H-SiC ยังคงเป็นโพลีไทป์หลักสำหรับเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าแรงสูง