化合物半導體製程用CVD SiC鍍膜技術：材料世界網

吳金寶、陳泰盛、黃俊偉 / 工研院材化所

化合物半導體材料具有寬能隙、高功率密度、高崩潰電壓、低功率損耗與較佳的散熱等特性，因此在高功率與低損耗的零碳排趨勢中，化合物半導體材料扮演重要角色。在半導體元件製程中，石墨因其化學和機械穩定性以及熱和電特性，而在許多高溫環境中應用；但石墨在高溫與電漿環境使用時，相對上是不穩定的，除了產生顆粒，也容易與氣體反應形成化合物。因此在高階的半導體或化合物半導體製程中，是於石墨表面製備立方結構的SiC塗層，以解決上述問題。SiC膜層具有高耐磨性、耐腐蝕性、化學穩定性和抗氧化性，並且具有高導熱性，所以該塗層在各種工業應用中受到青睞，包括LED載盤、半導體產業、板材、泵葉片、球閥部件、密封件、軸承和熱交換器等。本文將介紹化合物半導體產業現況與CVD SiC製程技術，評估CVD SiC膜層在化合物半導體製程組件的應用可行性；後續藉由此CVD SiC鍍膜製程技術的開發，使國內化合物半導體設備商與原料商可直接開發相關產品，達到降低生產製造成本並提高國際競爭力。

【內文精選】

化合物半導體元件製作

化合物半導體元件製作，可以在矽晶圓、碳化矽與氮化鎵基板上進行元件的製備。先從晶種的純化開始，經過長晶與切割拋光等，後續即在基板上進行磊晶與半導體元件的步驟，最後進行封裝形成模組。其中基板在成長高品質的氮化鎵薄膜時，大多數的問題在於欠缺適合的磊晶基材，在氮化鎵與基材之間有很大的晶格錯排(Lattice Mismatch)和不同的熱膨脹係數，而引起高密度的缺陷。最近幾年很多的研究團隊致力於使用不同的材料作為氮化鎵的磊晶基材，例如：矽(Silicon)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、碳化矽(SiC)、藍寶石(Al₂O₃)。對於製作以氮化鎵為基礎材料的元件公司，矽材料是最有吸引力的，因為矽材料具取得容易、價格便宜、高品質、大面積等優點，且矽材料的技術已經非常成熟，在氮化鎵磊晶成長條件下，矽有很好的熱穩定性。若以矽基當底材，所製作的氮化鎵元件也有利於光電的整合，很多氮化鎵的元件製作在矽基材上已經被證實，例如：發光二極體(LEDs)、高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor; HEMTs)。

圖四、化合物半導體元件(HEMT)截面示意圖

產業現況

1. 國內化合物半導體產業

在矽基半導體晶圓代工與LED磊晶技術的基礎下，化合物半導體技術的發展會是台灣下個兆元產業的關鍵。2021年全球半導體市場產值達5,559億美元，較2020年成長26.2%；在台灣部分，工研院產科國際所統計2021年台灣IC產業產值達新台幣4.08兆，年成長26.7%，占全球半導體產值之26.2%。在化合物半導體(SiC, GaAs, GaN)的發展也是如火如荼，光電科技工業協進會(PIDA)統計顯示台系化合物半導體產值大概是新台幣835億左右，年增26.4%，顯示半導體相關產業為台灣經濟的重要關鍵，也是製造業矚目焦點。

工研院SiC膜層研發現況

工研院投入開發出適合於化合物半導體應用之CVD SiC載盤製程及材料技術，預期導入化合物半導體製程之離子佈值機台與熱處理機台之組件，協助國內業者利用國內自主CVD SiC鍍膜技術於化合物半導體廠家，並尋求國內有興趣廠商共同協助開發，以達到降低國內生產製造成本與提高國際競爭力為原則，同時達成國內關鍵材料自主化及SiC石墨盤全製程技術開發目標。目前工研院已經建立SiC膜層關鍵製程技術，如圖九所示，根據化合物半導體製程技術用SiC鍍膜的技術內涵、膜層特性與產品需求規劃，包括：化學氣相流場模擬、高膜層厚度與均勻性、低翹曲度、可承受高製程溫度與快速升降溫。

圖九、SiC膜層關鍵製程技術

CVD SiC膜層的推廣與應用

工研院在CVD SiC鍍膜技術上，已建立CVD SiC鍍膜設備，並開發國內自主CVD SiC鍍膜技術；SiC結晶相為β-SiC的立方結構，膜層厚度100 μm。由於現行所使用的一些產品載具，均具備3D構型結構，且完全被覆無石墨基材的裸露，因此導入理論模擬計算，模擬鍍膜腔體內的流場分布，以提高鍍膜的品質與效率。目前已成功鍍製各種不同構型的產品，其在產品應用與產業推廣部分如圖十四所示，包括：半導體製程用套件、環、管件與快速退火盤，以及LED用載盤與套件、坩鍋、光學玻璃模具等產品應用 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。