Aplicações do carboneto de silício beta (β-SiC) na indústria de semicondutores

O β-SiC, também conhecido por 3C-SiC, apresenta uma estrutura cristalina cúbica do tipo blenda de zinco e é uma fase metaestável. Distingue-se do 4H-SiC (fase α hexagonal), comercialmente dominante em dispositivos de potência. Possui um bandgap de aproximadamente 2,36 eV, alta mobilidade eletrónica, suporta heteroepitaxia em wafers de silício e oferece uma excelente resistência a altas temperaturas, resistência à gravação por plasma e tolerância à radiação. Apresenta vantagens de custo evidentes para o fabrico em grande escala, embora a produção em massa de substratos monocristalinos a granel ainda represente um desafio. As suas aplicações em semicondutores dividem-se em cinco categorias principais: consumíveis para processos semicondutores, epitaxia e dispositivos de potência, materiais de encapsulamento, eletrónica para ambientes extremos e optoelectrónica.

1. Principais consumíveis para equipamentos de gravação/deposição de semicondutores (produzidos em massa)

1. Anel de foco/anel de bordo para wafer (CVD-β-SiC) CVD-β-SiC denso de alta pureza (pureza ≥99,99999%). Instalado no interior de gravadores de plasma e câmaras CVD, envolvendo wafers de Si/SiC. Modula o potencial da bainha de plasma para melhorar a uniformidade da gravação em todo o wafer e reduzir as taxas de refugo relacionadas com as arestas. Resiste à erosão por plasma à base de flúor e cloro, gera contaminação mínima por partículas e oferece uma vida útil mais longa do que os anéis de quartzo ou silício. Muito utilizado em nós avançados de 8 e 12 polegadas até 5 nm.
2. Os revestimentos de câmaras, os revestimentos de susceptores e os componentes de chuveiros de gás beneficiam de uma elevada pureza, resistência à corrosão por plasma e elevada condutividade térmica. São utilizados como peças estruturais e revestimentos protetores para câmaras de gravação, PVD e CVD para mitigar a contaminação metálica em wafers.

2. Epitaxia e Dispositivos Semicondutores de Potência (I&D e Produção em Pequenos Lotes)

1. Filmes finos heteroepitaxiais de β-SiC em substratos de silício: o β-SiC pode ser cultivado diretamente em wafers de silício de grande porte, contornando os elevados custos e os estrangulamentos de fabrico dos substratos de 4H-SiC de grande diâmetro, possibilitando fluxos de trabalho com wafers de 8 a 12 polegadas.

• Diodos Schottky SBD, MOSFETs : Baixa queda de tensão no estado ligado e desempenho de comutação rápido. Indicados para a conversão de energia em tensões médias e baixas, fontes de alimentação CC-CC e acionamentos de motores. Mais adequados para gamas de tensão média e baixa; inferiores ao 4H-SiC para cenários de alta tensão.
• Dispositivos de heterojunção α-SiC / β-SiC : Aproveite a diferença de banda proibida entre os dois politipos para BJTs de heterojunção de forma a aumentar a eficiência de injeção de portadores em circuitos de alta temperatura.

Nota: Os substratos de β-SiC monocristalinos em grande escala não são produzidos comercialmente em grande escala. A maior parte da adoção baseia-se em filmes finos epitaxiais .

3. Interpositor TGV para encapsulamento de chips de IA de alta tecnologia (I&D de ponta)

Os interpositores de β-SiC servem como substratos TGV (through-glass-via) para encapsulamento de GPUs e HBM de alto desempenho.

• Condutividade térmica: 200‑300 W/m·K, baixo coeficiente de expansão térmica, elevada rigidez mecânica e baixa perda a altas frequências.
• Supera os interpositores de vidro na dissipação de calor para chips de IA de ultra-alta potência. Integrado com metalização de cobre e vias TGV verticais para realizar interligações chip-a-chip de alta densidade. Um material promissor para embalagens avançadas da próxima geração.

4. Dispositivos eletrónicos resistentes a altas temperaturas e radiação (Indústria aeroespacial e nuclear)

1. Sensores e detetores de alta temperatura: serviço a longo prazo acima dos 600 °C para deteção de pressão e temperatura em motores aeronáuticos e exploração de poços profundos.
2. Circuitos integrados resistentes à radiação: aplicados em satélites e sistemas nucleares. Toleram a irradiação de neutrões e iões de alta energia com baixa corrente de fuga para a eletrónica embarcada no espaço.
3. Dispositivos MESFET de micro-ondas de radiofrequência para 5G e radar. O β-SiC apresenta mobilidade eletrónica isotrópica com propriedades favoráveis ​​a altas frequências; atualmente, a sua utilização está limitada a protótipos de laboratório e não substitui comercialmente os substratos semi-isolantes de 4H-SiC.

5. Optoelectrónica

1. Fotodetectores UV : A banda proibida larga permite a detecção de ultravioleta sem resposta à luz visível, sendo utilizados em sistemas de monitorização de chamas e alertas ultravioleta.
2. Investigação e desenvolvimento de LEDs UV de comprimento de onda curto: com foco na emissão de 200 a 400 nm, ainda em fase laboratorial, sem industrialização em larga escala.

6. Pó de β-SiC de alta pureza para matérias-primas semicondutoras a montante

1. Material precursor para revestimentos de CVD-SiC e fabrico de anéis de foco por CVD.
2. Matéria-prima para o crescimento de monocristais de SiC e alvos de pulverização catódica.
3. Material de enchimento para embalagens compósitas termocondutoras, visando melhorar a dissipação de calor do substrato.

Tabela de comparação de semicondutores β-SiC vs 4H-SiC (α-SiC)

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Resumo: O maior mercado comercial de semicondutores para o β-SiC é atualmente o dos consumíveis para o processo CVD-SiC, como os anéis de foco/anéis de bordo. As aplicações em dispositivos de potência são dominadas pela investigação e desenvolvimento de epitaxia de β-SiC baseada em silício. Os interposers TGV representam uma promissora via de próxima geração. O 4H-SiC continua a ser o politipo predominante para semicondutores de potência de alta tensão.