Page 8 - 第三代半導體—— 碳化矽材料製程與分析

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SPOTLIGHT
圖6:昇華法示意圖。
圖7:艾奇遜法的簡易示意圖。
其氣體會在低溫區的單晶SiC晶種 (MonocrystallineSiCSeedCrystal) 上進行沉積，進而製得高純度單 晶。目前為工業中製作SiC最快、 最大面積與最高長度的SiC單晶 晶棒(SiC boule)。然而此法最大 的困難在於需在封閉的系統中平 衡Si、C、Si2C及SiC2等氣體，以確 保晶圓成分比例的一致性及均勻 性;另外溫度及成長速度也是很 重要的因素，如果成長太快容易 有缺陷的產生，而且還必須確保其 晶圓維持低缺陷密度(dislocation density)，如果有太多的缺陷產生 在晶圓上，其缺陷會變成成核點 (nucleation site)，而往往SiC的 多相態晶相會在其中結晶並成長， 此現象就會使其晶圓不再維持單
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圖8:氣相沉積法的簡易示意圖。圖中，1為氣體流量控制器，2為反應爐，3為熱電偶，4為壓力偵測器，5 為粉體收集桶，6為真空幫浦。
晶相，甚至當缺陷過高的時候可能 導致整個晶圓破裂。
SiC粉末內雜質會變成缺陷的 起源點，所以需要極高純度以確保 晶圓能維持較低的缺陷密度。除 了晶圓成長參數控制外，上游原料 SiC粉末的選用亦至關重要。SiC粉 末的合成除適當的合成反應外，應 盡可能維持合成時的純度以降低 雜質帶來的影響，以下介紹各種 SiC粉末合成法。
艾奇遜法為第一個將SiC粉 末投入大量製造的方式，將氧 化矽粉末與有機碳基混合反應 物(reaction mixture)置於爐 (furnace)中，並使貫穿爐體的石 墨電極通上電流產生碳熱反應 (Carbothermic reaction)，其反 應式為SiO2+3C→SiC+2CO，進而 在石墨電極上產生SiC。
然而因爐牆中往往有許多金 屬雜質，以及在大氣下反應常有氧 汙染的問題，導致其產出的的SiC 純度最高至99.8%，離半導體工業 長晶需求尚有相當大的距離，因此 此製程所產出的材料大多用於切 削與研磨工業中。
氣相沉積法常為製作高純度 材料的製程方式，其製程除牽涉到 許多氣體動力學的參數控制外，且 須考量熱分解(thermolysis)、水解 (hydrolysis)、氧化(oxidation)、還 原(reduction)及碳熱(carboration) 等採用反應式所選擇之先驅物。目 前CVD製程先驅物主要為SiH4和 C2H2，其製程構造如圖8，在真空 幫浦幫助下，其內部環境維持高真 空以避免外界雜質的影響，並利用 氣體流量控制器使SiH4和C2H2在適 當流量通入反應爐，N2當作載流氣 體，預先與SiH4混合並幫助反應氣
SiC粉末合成
1.艾奇遜法(Acheson process)
2.氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)