杜隆琦、劉琬琳 / 工研院材化所
碳化矽(SiC)作為第三代寬能隙化合物半導體材料，因具備高熱導率、高擊穿場強及耐高溫等特性，廣泛應用於新能源車、5G及高壓功率元件。為滿足高品質SiC單晶生長需求，高純度碳化矽粉體的製備與穩定量產至關重要。碳化矽粉體的製程技術歷經百年演進，從早期Acheson法到1955年Lely昇華法，再到1978年改良Lely法（PVT法），粉體純度與晶體品質逐步提升。然而，單晶品質與原料純度呈線性相關，且粉體粒徑與物相穩定性將直接影響晶體缺陷，因此高純度粉體的開發成為研究重點。
【內文精選】
碳化矽粉體量產
目前工研院材料與化工研究所開發碳化矽粉體量產製程，使用物理氣相傳輸(PVT)爐作業，以高純度碳粉及矽粉進行固相法製備高純碳化矽粉體，利用治具為石墨坩堝承載原料並用於感應加熱，主要製程步驟如圖二所示：原物料管理→粉體混合→高溫合成（熱場建立）→除碳過篩→粉體檢驗，說明如下。
圖二 碳化矽粉體量產流程
首先，階段一為原物料管理，建立線上進銷存系統來管理製程所需原物料，原物料須將代理商、製造商規格一併標示在料號內。原料到貨需確認檢驗規範，例如碳粉需要進料檢驗其純度、粒徑是否有符合規格，當超出規格時必須再確認其品質，若確實品質異常、超出規格，需退回供應商重新換貨處理；物料方面，比如製程使用之石墨坩堝、石墨隔熱材，必須確認材質純度是否在規格內，物料尺寸大小是否有符合設計值。由於碳化矽粉體需要達5N以上等級的純度，為了避免影響後續長晶製程，因此原物料管理對於碳化矽粉體量產有相當程度的重要性。
階段二為粉體混合製程，在試量產實驗室中，於抽氣櫃環境下進行原料粉體秤重，將粉體（碳粉、矽粉）依照特定比例進行秤重至球磨罐當中，後續利用三維混料機以及球磨架進行粉體均勻混合作業（見圖三），混合完成後進行取樣，檢測粉體中碳含量是否有符合均勻的比例，並進行混合程度檢驗。粉體混合過後，將混合粉體置入石墨坩堝中進行粉體填充作業，利用磅秤來量測填充入石墨坩堝的混合粉體重量，觀察並記錄
圖三 粉體配置以及粉體混合
階段三為高溫合成，在填充完畢過後，將石墨坩堝擺放至腔體平台，進行隔熱材包覆，利用PVT爐感應石墨坩堝加熱。由先前介紹所知，碳化矽粉體合成溫度大約落在1,800˚C~2,200˚C的範圍內，若是未以保溫材質絕熱，會有大量的熱溢散跑出來，對於製程上溫度控制會更加不易，並需要設備以更高功率進行升溫作業，就製程來說相當不利於碳化矽粉體合成---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》465期，更多資料請見下方附檔。