黃百璿 / 工研院材化所
在綠能、電動車崛起態勢下，碳化矽憑藉著高能隙、耐高壓、高熱傳等特性而備受青睞，這些性質讓碳化矽可運用於高功率元件中。但台灣受限於本土資源匱乏，關鍵原料受外國掌握，使得碳化矽發展落後。台灣於矽半導體產業發達領先，製程的矽邊角料充足且純度高，能作為碳化矽之原材料，以達到循環經濟，並降低原物料對國外的依賴性。本文將以循環矽材料製備再生碳化矽出發，介紹輝光放電質譜儀(GDMS)在再生循環製程中扮演的角色，了解製程節點的問題，並優化改善，使碳化矽粉純度從4N提升至5N以上。
【內文精選】
化合物半導體材料–碳化矽
1. 半導體材料發展
相較於氮化鎵，碳化矽又以較高的崩潰電壓見長，在電動車及其充電設施、太陽能、離岸風電等綠能發電設備上有較佳的表現。碳化矽晶圓與傳統矽晶圓相同採用「同質磊晶」技術，該技術成熟、成本較低，且品質好、元件可靠度高。氮化鎵主要用在中壓領域、約600伏特的產品，適合頻率高的應用，此特性在基地台、5G通訊相關等高速產品具優勢。而碳化矽則有很好的耐高溫以及高壓特性，看好在EV市場的應用，包括充電樁、電動車逆變器(Inverter)、DC/DC轉換器(Conveter)、充電樁等，另還有儲能系統和工業設施之應用。
循環矽材料高值化利用
4. 再生碳化矽合成原料與成品純度之重要性
碳化矽粉體合成過程中，原料密度、粒徑、結構、分散性等皆會影響合成的品質與效率，且合成後碳化矽粉體的孔隙度及粒徑會影響之後碳化矽長晶的效率，氮含量則會影響碳化矽晶圓的電阻率，氧含量較高則表示所含氧化矽較多，進而改變機械特性，這些品質因素都會影響到碳化矽在市場上的應用價值，因此不論在原料及成品上的品質皆需要受到嚴格的控管。而在半導體應用領域上，純度更是關鍵的品質需求，碳化矽純度的重要性在於它會影響碳化矽的電學、光學、機械和熱學性質。半導體元件如MOSFET、IGBT、LED等，對材料的純度要求很高，因為純度不足會導致缺陷、雜質和應力的產生，影響元件的性能和壽命。在矽循環材料製造再生碳化矽的製程中，一開始選擇的矽邊角料純度便會影響後續純化的難易度，且合成的再生碳化矽純度也會影響其應用範圍。圖三為循環矽材料高值化利用流程中，各階段所需的純度要求。再生碳化矽粉體純度需達5N5 (99.9995%)以上純度，才符合半導體應用領域的需求。
圖三、循環矽材製備再生碳化矽高值化利用流程
GDMS於再生循環材料製程之應用
1. 高純度分析技術
目前在高純度材料分析上，最常使用質譜儀進行純度的鑑定。質譜儀的工作原理是基於質量–電荷比的概念。首先，將樣品分解成離子，通過電離源將其賦予電荷；然後，這些離子在電場和磁場的作用下根據其質量和電荷比例進行分離和偵測。這樣就可以得到質譜圖，顯示出不同質量的離子的信號強度，從而識別樣品中的化合物和分子。
3. 輝光放電質譜儀應用於高純再生碳化矽製程
由於循環矽材的純度影響碳化後的再生碳化矽純度，在矽邊角料的選擇上若使用純度較低的邊角料，勢必需要經過純化過程，而雜質含量越高，其純化成本便越高。
經過處理後的循環矽材與碳料，在常壓下於1,800˚C~2,000˚C之間以直接碳化法進行再生碳化矽粉體合成，初期合成之粉末以GDMS鑑定，純度只達4N (99.992%)水準。在反應過程中，部分矽會昇華，因此需要以更高的矽/碳比進行合成反應，但部分雜質仍會留存於反應的碳化矽中，造成特定元素的雜質含量比矽與碳原料還高(如鈣、鐵等)。為提升純度、降低雜質含量，工研院開發了階段式熱分離純度技術，其原理在於元素之蒸氣壓會受反應壓力與溫度所影響，如圖五所示。位於矽左側之元素，如鉀、鈣、鋇、砷、鋁與磷等，在低壓與較低溫下可較輕易地去除；而在矽右側之元素，如鐵、鈦與硼等，則需更低之反應氣壓與更高溫度才能使其蒸發(昇華)。藉由初步測試，碳化矽粉體純度已可達到4N8，再經過製程優化後，可達到純度5N以上之碳化矽粉體，部分雜質含量有降低之趨勢，如鈣已小於偵測極限(有被其他元素干擾，因此偵測極限會偏高) ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖五、雜質元素之飽和蒸氣壓與溫度曲線
★本文節錄自《工業材料雜誌》441期，更多資料請見下方附檔。