碳化矽塗層於LED與半導體產業之應用

 

刊登日期:2016/10/5
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近年來,由於中國與韓國等廠家積極的投入,造成整個LED磊晶廠面臨極大的競爭,且其成本的壓力也日趨加大,國內LED相關廠家可透過關鍵材料的國產化來提高產業競爭力。而SiC鍍膜石墨盤為磊晶製程主要耗材,價格昂貴。如何建立SiC鍍膜石墨盤的製程技術、有效降低LED的成本,已是促進LED產業競爭力的重要關鍵。

台灣在LED光電產業擁有完整供應鏈,且國內具備完整之真空設備製程技術與人才,對發展SiC石墨盤製程技術極具競爭優勢。希冀藉由SiC厚膜技術之建立,提供國內LED中下游產業新的發展契機,尤其是LED產業可以直接在國內取得高品質、低成本之LED磊晶用石墨載盤,可降低磊晶成本壓力。此外,工研院建立的SiC關鍵鍍膜設備與製程技術,除可應用於LED磊晶石墨載盤外,未來尚可應用於半導體、光電、機械、航太、汽車等相關產業的耐高溫、耐熱衝擊、耐磨及高散熱性零組件上。
 
碳化矽結構與特性
碳化矽材料在崩潰電場、導熱特性、熔點、電子飽和遷移率及能隙等部分的特性表現均遠較傳統的矽材料為佳。在崩潰電場部分,碳化矽材料的崩潰電場強度約為矽材料的 10倍,代表碳化矽元件可較矽元件耐壓高出10倍;同時在功耗損失上則優於矽元件約 100倍。

在導熱特性部分,碳化矽元件約為矽元件的 2~3倍,表示碳化矽元件將可在更高溫環境下正常運作,同時無需額外的散熱輔助設施。也由於碳化矽的高崩潰電場與高導熱兩大特性,使碳化矽元件的開發與應用在高功率元件領域倍受期待。而在高頻操作部分,由於碳化矽的電子飽和速度約為矽的 2倍,表示元件開關的切換頻率可達矽元件的 10倍。




圖二、各種不同SiC晶體型態的堆疊模型

 
SiC厚膜技術國內外發展方向
目前 SiC材料的應用種類可分為塊材、單晶類、薄膜類和厚膜類,與其主要應用的類別如圖三所示。而本文所提的主要是在於 SiC厚膜技術的建立。其中 SiC膜層的製程方式亦可分為物理氣相沉積技術與化學氣相沉積(CVD)方法。用物理氣相沉積技術所開發出來的大都為非晶、多晶 α-SiC薄膜為主(膜層的厚度<1μm);而以分子束磊晶(MBE)所生長之薄膜厚度有限,且生長速率緩慢。亦有採用物理氣相沉積法(PVD)以 SiC為靶材,利用 Ar 濺鍍或者利用 Si 為靶材,以 CH4 及 Ar 的反應性濺鍍及離子披覆反應等來成長薄膜,但是 PVD披覆的薄膜均勻性及階梯覆蓋率比 CVD法差。
 
國外廠家發展趨勢
國內並無完整碳化矽膜層鍍製技術,故 LED產業與半導體等相關 SiC-Coated 零組件皆須仰賴進口。而石墨盤表面碳化矽厚膜鍍製技術皆掌握在歐、美、日等國,唯有自主研發技術,才可使 LED與半導體零組件關鍵耗材國產化,藉此提升國內產業競爭力。故本章節藉國外廠家之 CVD沉積碳化矽膜層技術整理,吸收國外廠家開發經驗並與我方 SiC厚膜製程技術作探討比較。
 
工研院SiC膜層研發現況
台灣是全球 LED磊晶與半導體之生產重鎮,而磊晶所用之關鍵性零組件 SiC石墨盤佔 LED材料成本相當高,目前 SiC石墨盤完全仰賴國外廠商提供,因此工研院希望能結合國內業者,開發出適合 LED Susceptor 應用之 SiC厚膜製程及材料技術,期望能降低對國外技術母廠依賴以及生產成本,並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……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。




圖十六、工研院鍍製之SiC膜層、XRD與SEM之量測

 
作者:吳金寶、陳泰盛、蔡瑋倩、鄭皓文、張嘉珍、呂明生 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」358期,更多資料請見下方附檔。


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