β-碳化矽（β-SiC）在半導體產業的應用
β-SiC，又稱3C-SiC，具有立方閃鋅礦晶體結構，是一種亞穩相。它與目前商業上主流的4H-SiC（α相六方晶系）功率元件材料有所不同。 β-SiC的帶隙約為2.36 eV，具有高電子遷移率，支持在矽片上進行異質外延生長，並具有優異的耐高溫、耐等離子體刻蝕和耐輻射性能。儘管大規模生產單晶基板仍面臨挑戰，但β-SiC在大尺寸製造方面具有明顯的成本優勢。其在半導體領域的應用主要分為五大類：半導體製程耗材、外延及功率裝置、封裝材料、極端環境電子裝置及光電子裝置。
1. 半導體蝕刻/沉積設備的關鍵耗材（大量生產）
- 晶圓聚焦環/邊緣環（CVD-β-SiC）：採用高純度緻密CVD-β-SiC材料（純度≥99.99999%）。安裝在等離子蝕刻機和CVD反應腔內，環繞Si/SiC晶圓。它透過調節等離子鞘層電位，提高整個晶圓的蝕刻均勻性，並降低邊緣相關的廢品率。該材料可抵抗氟基和氯基等離子體的侵蝕，產生的顆粒污染極少，且使用壽命比石英或矽環更長。廣泛應用於8吋和12吋先進節點，製程精度可達5nm。
- 腔室襯裡、基座塗層、氣體噴淋頭組件均具有高純度、耐等離子體腐蝕性和高導熱性等優點。它們可用作蝕刻、PVD 和 CVD 腔室的結構部件和保護塗層，以減少晶圓上的金屬污染。
2. 外延及功率半導體裝置（研發及小批量生產）
- 矽基板上的異質外延β-SiC薄膜β-SiC可以直接在大尺寸矽晶片上生長，繞過了大直徑4H-SiC基板的高成本和製造瓶頸，從而實現了8-12英吋晶片的工作流程。
- 肖特基二極體（SBD）、MOSFET：導通壓降低，開關速度快。適用於中低電壓電源轉換、DC-DC電源和馬達驅動。較適合中低電壓應用；在高壓應用場景下效能不如4H-SiC。
- α-SiC / β-SiC 異質接面元件：利用兩種多型體之間的帶隙偏移來提高異質接面 BJT 的載子注入效率，從而提高高溫電路的載子注入效率。
註：塊狀單晶β-SiC基板尚未實現商業化大規模生產。目前大多數應用都依賴外延薄膜。
3. 用於高階人工智慧晶片封裝的TGV中介層（尖端研發）
β-SiC 中介層可用作高效能 GPU 和 HBM 封裝的 TGV 玻璃通孔基板。
- 熱導率：200‐300 W/m·K，熱膨脹係數低，機械剛度高，高頻損耗低。
- 在超高功率人工智慧晶片的散熱方面，其性能優於玻璃中介層。整合銅金屬化和垂直TGV通孔，可實現高密度晶片間互連。是一種極具潛力的下一代先進封裝材料。
4. 耐高溫和抗輻射電子元件（航空航太、核工業）
- 高溫感測器和偵測器：適用於航空發動機和井下勘探中壓力和溫度感測的長期 600°C 以上工作環境。
- 抗輻射積體電路：應用於衛星和核子相關係統。可耐受中子和高能量離子輻照，且漏電流低，適用於空間電子設備。
- 用於 5G 和雷達的 MESFET 射頻微波裝置。 β -SiC具有各向同性的電子遷移率和優異的高頻特性；目前僅限於實驗室原型，尚未在商業上取代半絕緣的 4H-SiC 基板。
5. 光電子學
- 紫外光電偵測器：寬帶隙使其能夠偵測紫外光而無可見光響應，用於火焰監測和紫外線預警系統。
- 短波長紫外線LED研發：目標發射波長為200-400奈米，目前仍處於實驗室階段，尚未實現大規模產業化。
6. 用於半導體上游原料的高純度β-SiC粉末
- 用於 CVD-SiC 塗層和 CVD 聚焦環製造的前驅體材料。
- 用於碳化矽單晶生長及濺鍍靶材的原料。
- 用於導熱複合包裝材料的填料，以增強基材的散熱性能。
β-SiC 與 4H-SiC (α-SiC) 半導體對比表
表格
| 物品 | β-SiC（3C-SiC） | 4H-SiC（α-SiC，主流功率元件級） |
|---|---|---|
| 晶體結構 | 立方晶系，亞穩態 | 六方晶系，熱力學穩定 |
| 帶隙 | 2.36 eV | 3.26 eV |
| 優勢 | 矽基異質外延可行，可實現大尺寸生長，具有優異的抗等離子體性能和各向同性遷移率。 | 高擊穿場強、成熟的高壓功率元件、可大規模生產的塊狀基板 |
| 主要商業應用 | CVD聚焦環、腔室組件、SiC-on-Si外延、先進封裝中介層 | 新能源車、光伏高壓MOSFET和SBD |
摘要：目前β-SiC最大的半導體商業市場是CVD-SiC製程耗材，例如聚焦環/邊緣環。功率元件應用主要依賴矽基β-SiC外延的研發。 TGV中介層代表極具前景的下一代發展方向。 4H-SiC仍是高壓功率半導體的主流多型材料。
