Page 10 - 第三代半導體—— 碳化矽材料製程與分析

8
SPOTLIGHT
圖12:在HEBM作用下的時間對溫度作圖。
圖13:不同時間HEBM所產生SiC粉的XRD。圖中，1為矽 的結晶，2為SiC的結晶。
如圖12所示，當在HEBM作用下達 到一定的時間，產生燃燒合成同時 導致溫度急遽上升至1,750K，並 開始產生SiC粉。如圖13所示，在 HEBM的作用下，可以在短時間產 生SiC粉末，作用時間愈久，殘餘 的矽粉及碳粉更容易進行更完全 的反應，這樣的製程也不須將環境 溫度升至反應溫度。然而，此方式 利用鋯珠產生之碰撞力點燃反應， 在製造的過程中易摻入雜質;除此 之外，此製程僅適用於小量製造， 並不適合大量生產。在高純度的基 礎要求下，此方法在後續放量可行 性仍有待改良。
圖14:經由SCS產生SiC塊材的(a)上(b)中(c)底部的XRD 圖。
成液態時，碳粉顆粒大小限制了矽 液體的反應深度，當矽液體與固體 碳的表面產生SiC後，矽液態因而 不容易進入碳粉核心以達完全反 應，此現象易造成殘矽與殘碳的存 在，導致純度下降。此外，因矽液 態具流動性，在高溫熱處理時，重 力使液體易流向低處造成整體均 勻度下降，圖14中可以發現SiC塊 材上部沒有殘矽，可是中、底部都 有未反應矽的結晶訊號，導致其良 率非常低，嚴重影響其SiC品質的 穩定性，是以此法在反應的整體均 勻度、時間等條件皆須密切控制。
在SiC晶圓製造中，原料的晶 相及純度關係著成長後晶圓的品 質及缺陷密度的多寡，晶相分析、 純度檢測分析和微觀的結構分析 是不可或缺的關鍵步驟。
未完全反應的中間物(殘碳及氧化 矽)留在其SiC粉末上，若經由氫氟 酸清洗加上大氣燒結的方式將殘 碳，以及氧化矽去除後，就可以得 到純SiC粉末。
碳的比例也影響了製程的產 率，據實驗發現，碳比例愈高其產 率也愈高，但極易有未完全反應的 中間物問題。因此此法雖可長出均 勻度高的SiC，但易有殘留中間物 進而影響純度，在反應的考量上仍 需經過設計;另外反應採用矽基醇 鹽液體往往易含入金屬雜質，進而 嚴重影響其生成之SiC品質。為了 符合半導體工業長晶原料的標準， 純度的控制仍須有更好解決方案。
5.固態燃燒合成法(solid combustion synthesis，SCS)
材料分析
4.機械力合金化(mechanical alloying)
將適當比例的碳粉與矽粉均 勻的混合後置於真空爐中，抽至高 真空避免外界雜質影響，並將環境 溫度升至2,100°C以上得到SiC粉 末，此為目前成本易控且產率符合 工業需求量的做法。
機械力合金化也是具潛力的 製作方式，將適當比例的碳粉及 矽粉放入高能球磨(high energy ball milling，HEBM)，並放入鋯 珠施予高能的轉動及震動，利用 鋯珠的碰撞力使碳粉及矽粉的表 面不穩定化，造成局部的燃燒合 成(combustion synthesis，CS)。
雖然此法相比上述其他方法 步驟簡易許多，但因碳及SiC的熔 點超過2,500°C，導致當矽先熔化
SiC屬於多型體(polytype)的 材料，目前已知晶體結構多達100 種以上，而不同晶體擁有不同的 性質。目前最為人所知且大量用 於半導體產業的有3C-SiC、4H- SiC及6H-SiC，3C-SiC或稱β-SiC
www.eettaiwan.com | 2022年7月