化合物半導體碳化矽粉體材料技術探討

 

刊登日期:2022/5/5
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莊凱翔 / 工研院材化所
 
化合物半導體碳化矽晶圓材料已是全球重要的策略材料,其中,高純半絕緣型(HPSI)碳化矽晶圓因高純度、高電阻、與氮化鎵熱膨脹係數接近等特性,被選擇用於5G、衛星RF通訊功率放大器產業中,做為氮化鎵磊晶成長的關鍵襯底材料。高純半絕緣碳化矽單晶生長以粉體為原料,高純度的碳化矽粉體可採用高純矽粉和碳粉在高溫下反應合成,然而,如何達到高純度(≧99.999%)與半絕緣(Nitrogen Doping <5 × 1015/cm3)是一大挑戰。本文藉由相關數據的探討瞭解,找出高純度半絕緣碳化矽粉體合成製程中的關鍵,做為未來發展的重點方向。
 
【內文精選】
SiC碳化矽晶片的市場
根據MarketsandMarkets的預測,化合物功率半導體的市場規模於2026年將增至相較2020年逾6倍的44億7,820萬美元;碳化矽帶動各式功率產品的成長,如電力電網、工業馬達、太陽能、風力發電、RF射頻產業等,特別是電動車產業將成為未來成長速度最高的產業,如圖一所示。其中,以大尺寸6吋以上SiC晶圓的發展將為主流,在2020~2025年的年複合成長率將達53.8%,主要以4H-SiC(六方晶體結構(Hexagonal Polytype or Alpha-type))為主流。
 
圖一、碳化矽帶動各式功率產品的成長,特別是電動車產業
圖一、碳化矽帶動各式功率產品的成長,特別是電動車產業
 
我國目前也具有碳化矽晶圓長晶產業,如中美晶、漢民、盛新、穩晟等。高純半絕緣SiC晶圓的長晶技術仍在發展中,主要原因之一為缺乏「高純度半絕緣碳化矽粉體原料」,目前這項粉體製造技術掌握在國外長晶公司內部,並且不對外銷售粉體;同時,用於合成用的高純度矽粉及高純度碳粉,在國際上也受到化合物半導體產業競爭的影響,各國強化了出口的審核,導致國內無法輕易地取得高純度的矽粉及碳粉,造成我國高純半絕緣SiC晶圓發展的限制。
 
碳化矽的歷史與基本材料特性
碳化矽(Silicon Carbide; SiC)是一種由碳和矽兩種元素組成的化合物半導體材料,具備寬能帶(Energy Gap, 3.2 eV)、熱導率高、耐擊穿電壓高、電子漂移速率高等特點。碳化矽最早是1893年由Henri Moissan在美國亞利桑那州的隕石坑之岩石樣本中發現,亦稱莫桑石。同時間,艾奇遜(Edward Goodrich Acheson)是第一個將碳化矽工業量產化且做為研磨和切削材料的重要推手,他設計了一種製備工藝來製備碳化矽,利用含矽砂(Sand)和煤焦(Coal Coke)為原料,粉末混合後置入於一含有可通電石墨電極的設備裝置中;通電加熱至高溫而生成碳化矽粉體,此合成方式也命名為艾奇遜法(AchesonMethod)。
 
碳化矽的歷史與基本材料特性
2. PVT製程條件對碳化矽粉末形貌的影響
Shaffer的研究顯示,利用PVT製程技術生長碳化矽粉體,製程壓力的變化會影響碳化矽粉末的形貌,當製程溫度控制在2,150~2,250˚C,生成的碳化矽在製程壓力為760 Torr時粉體形貌為扁平型(Tabular),製程壓力為3 × 10-5 Torr時粉體形貌為多角型(Blocky),如圖六所示。
 
圖六、SiC在不同製程壓力下生長的形貌 (a) 760 Torr;(b) 3 × 10-5 Torr
圖六、SiC在不同製程壓力下生長的形貌 (a) 760 Torr;(b) 3 × 10-5 Torr
 
3.原料形貌對碳化矽粉末形貌的影響
Wang的研究顯示,利用高純度的矽粉及碳粉進行碳化矽的合成,結果顯示,使用的碳源對合成碳化矽的品質有很大的影響。例如碳源的粒徑分布與形貌,片狀石墨比活性碳更適合,因為它的尺寸分布相對均勻且粒徑較小,而且片狀的形狀使反應完全,可獲得反應完全的β-SiC粉體,能做為高電阻值的SiC長晶原料。
 
4.添加劑對合成碳化矽純度的影響
Zhou的研究,利用熱力學的計算闡明了在Acheson法NaCl的添加對碳化矽純度純化的貢獻。結果顯示,在沒有任何鹽類添加的情況下,碳化矽中的金屬氧化物雜質在高溫下以氣態金屬元素的形式蒸發。當添加NaCl後可在較低溫度下產生揮發性金屬氯化物,特別對Al2O3和CaO雜質的蒸發具有積極作用;而對Fe2O3和MgO的雜質影響不大---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》425期,更多資料請見下方附檔。

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