翁雪萍 / 工研院材化所
發展化合物半導體材料及元件時，由於原料粉體的品質和相關特性會直接影響最終產品的性能和可靠度表現，因此需針對粉體品質分析的主要方向，包括成分組成、晶體形貌、粒徑分布、堆積密度、流動性以及純度等項目，了解粉體優勢與潛在缺陷特性後，再分別將適當的原料投入製程當中。
【內文精選】
化合物半導體SiC產業鏈與市場布局
在5G設備、智慧型行動裝置、混合動力與電動汽車、電源和太陽能光電(PV)需求的刺激下，2024年的SiC功率半導體市場將以29%的複合年增長率成長，達到20億美元。目前全球化合物半導體仍然由美、日、歐企業主導，據Yole數據顯示，Wolfspeed(前Cree)、ROHM、Infineon、Mitsubishi和ST五家企業合計占有SiC功率半導體約80%的市場；EPC、Transphorm、GaN Systems、Infineon四家企業合計占有GaN功率半導體90%的市場；住友電工、Wolfspeed和Qorvo三家企業合計占有GaN射頻應用85%的市場。
市售碳化矽粉體規格與長晶製程之關聯性
長晶用的粉體規格，有些關鍵資訊我們可以從原料COA得知。以國際大廠SIKA為例，從該廠提供的COA中可看見他們是利用Acheson法生產高純碳化矽粉體，應用等級為半導體，適合用於SiC晶圓生長。
目前化合物半導體產業鏈的發展分為基板材料、磊晶、元件製造與終端應用，其中基板材料的電學性可直接決定下游晶片功能與性能的優劣。根據電阻率不同，SiC基板可分為導電型(N-Type/P-Type)和高純半絕緣型(HPSI)兩大類。導電型SiC基板可利用N和Al作為摻雜劑實現N型和P型，以目前市面上的產品來看，又以N型為主(N2 Doping)，電阻率通常低於0.02 Ω·cm；半絕緣型SiC基板電阻率要求則需要高於106 Ω·cm。其中氮濃度含量也是影響SiC成為導電型與非導電型的主要關鍵。
從碳化矽粉體合成的整體製程來看，將經過計算的碳矽比透過濕式混合方式讓矽粉與碳粉能夠充分混合，烘乾後確認堆積密度與均勻度符合原料投入的原則後，將混合後的原料填入石墨坩堝中，並利用高溫合成爐進行製程條件的設定。在高溫合成過程當中，腔體的真空值、高溫區、潔淨度、氮含量以及正負壓，亦會影響粉體最終合成的純度、晶型、粒徑大小等相關項目(如圖五)。
圖五、HPSI SiC粉體技術路徑圖
化合物半導體粉體特性檢測
1. 粒徑分布、堆積密度與比表面積
從目前蒐集到的國際大廠長晶用粉體規格來看，可發現平均粒徑分布D50的趨勢大多為100 μm以上，以SIKA為例，D50為300 μm左右。粉末的粒徑大小除了會影響長晶製程中的高溫昇華速率外，相對也會影響到堆積密度與比表面積。
利用PVT生長法來製造SiC晶圓時採用的碳化矽粉體，其粉末比表面積和堆積密度在高溫昇華過程中會影響到長晶的品質。因高溫中產出Si、SiC2、Si2C等物質而出現石墨化與再結晶化，這兩個現象會使昇華速率降低，進而影響到SiC的晶體成長速度。
2. 純度
純度越高，不純物雜質含量相對越低，一般市面上所看見的SiC有各種顏色，這些顏色主要受到雜質與晶粒尺寸所影響。以純度等級高低來看，最高純度的SiC是透明無色的，然而有些高純度的SiC呈現出淡綠色，主因是製程當中摻雜了N2等雜質原子形成所致。而深綠色或是深棕色的SiC，是因為分別受到N2及Al污染所致。至於市面上最常見的黑色SiC則是因為生產製程上受到許多雜質污染的原因，這些雜質也多半是讓SiC具有導電特性的緣故；另外也有可能是單一粉粒中具有非常多的晶粒，因此光線會受晶界(Grain Boundary)散射而呈現黑色。
目前國際上主要針對純度的檢測方法以輝光放電質譜儀(GDMS)為主，利用輝光放電電離產生分析樣品的離子，透過質譜儀檢測這些離子，實現對樣品元素組成的定性和定量分析(如圖六)。以GDMS分析碳化矽純度時，會排除氮與氧兩種元素，因此若要確定含量則需使用氧氮分析儀或是二次離子質譜(Secondary Ion Mass Spectroscopy; SIMS)來檢測。
圖六、GDMS的基本原理
3. 氧/氮含量
氮含量的高低是影響SiC由導電型轉變為半絕緣型的關鍵，因此各家廠商在生產不同電阻特性的SiC時也會特別注意氮含量的控制；氧含量的高低則關係到SiO2生成率，當O2自粉體內部擴散並接觸到SiC顆粒時，會進而產生交互作用形成SiO2層，而氧化深度也會影響到SiC表面的氧化層厚度。通常氧含量的生成都是在SiC粉末生產後，為了將多餘的碳去除而以空氣爐進行高溫去除時，粉末接觸氧氣過程中所生成 ---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》441期，更多資料請見下方附檔。