碳化矽塗層之技術進展與產品應用：材料世界網

碳化矽(SiC)是一種綜合製造的複合材料，它在全球特種塗層市場中較少見，且SiC塗層藉由製程技術，使它成為市場上較昂貴塗層之一。SiC塗層具有高耐磨性、耐腐蝕性，並且具有高導熱性，因為具有許多優點，因此該塗層在各種工業應用中受到青睞。SiC塗層具備高度的化學穩定性和抗氧化性，因此可以應用於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。近年來，由於亞太地區LED產業與半導體產業的蓬勃發展，讓整體SiC膜層的需求大幅增加。因此，全球碳化矽塗層市場預計將由亞太地區主導，預計中國將在碳化矽塗層消費方面占據市場主導地位，而全球對於碳化矽塗層約有數十億台幣之需求。

本文將從以下大綱，介紹碳化矽塗層於國外的發展趨勢，以及工研院已建立熱壁式化學氣相沉積SiC膜層製程技術。

‧前言

‧碳化矽結構與特性

‧SiC厚膜技術國內外發展方向

‧國外廠家發展趨勢

　1. 東洋碳素(Toyo Tanso)

　2. 東海碳素(Tokai Carbon)

　3. Rohm and Haas

‧工研院SiC膜層研發現況

‧SiC膜層推廣與應用

‧結論

【內文精選】

碳化矽結構與特性

碳化矽(SiC)是一種由矽(Si)與碳(C)所構成的化合物半導體材料。其結合力非常強大，使其不論在熱力學、化學與機械上都能夠呈現高度安定的狀態。純碳化矽是無色的，工業用碳化矽由於含有鐵質等，因而呈現棕色至黑色，晶體上彩虹般的光澤則是由於表面產生的二氧化矽鈍化層所導致。

碳化矽材料在崩潰電場(Breakdown Electric Field)、導熱特性(Thermal Conductivity)、熔點(Melting Point)、電子飽和遷移率(Saturation Electron Velocity)及能隙(Energy Gap)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，使得碳化矽元件的開發與應用在高功率元件領域備受期待。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。

SiC厚膜技術國內外發展方向

碳化矽(SiC)是一種共價鍵的陶瓷材料，屬於寬能隙材料，較一般陶瓷材料具備更良好的硬度、耐熱性、耐氧化性、耐腐蝕性及高導熱性。SiC鍍層可應用之領域方向如圖三所示。製備SiC膜層的方法相當多種，包括分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy; MBE)、氣相磊晶法(Vapor Phase Epitaxy; VPE)、液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy; LPE)、昇華磊晶(Sublimation Epitaxy)、化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition; CVD)。其中化學氣相沉積法為較成熟的厚膜成長技術，主要優點在於具有高生產量、優異的膜層成長速率與均勻性、較佳的階梯覆蓋能力，並且可以沉積大面積的石墨載盤上。CVD製程品質的優良與否，取決於反應器(Reactor)內部流場穩定性、溫度的控制、噴氣頭導入反應氣體的方式等因素，各參數對於晶圓均勻性(Uniformity)的影響重大。

圖三、SiC鍍層可應用之領域方向

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，因此在LED與半導體所使用之SiC石墨盤之材料成本相當高，目前SiC石墨盤完全仰賴國外廠商提供，一年向國外採購之SiC塗層相關之耗材與載具約有10億台幣以上。因此工研院希望能結合國內業者，開發出適合於發光二極體磊晶盤(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之依賴以及生產成本，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SiC膜層關鍵製程技術（圖十七）。其中主要的方向有下列幾點：

化學氣相理論模擬的建立：可以增加3D構型基材之SiC膜層披覆之完整性，如此可降低石墨基材的汙染與提高膜層厚度披覆之均勻性。因此，本研究將於直立式熱壁反應器中，並藉由數值模擬分析技術，深入了解反應器加熱溫度、腔體壓力及反應物流量對反應器內的熱傳現象、氣體對流行為及流場分布之改變，並分析這些是如何影響薄膜的沉積速率與均勻性，再探討基板的傾斜角度和數量對薄膜沉積的影響，並找出最佳的製程參數設計。圖十八顯示將基材擺放於腔體中以後，其速度向量與速度幅度之關係…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。