September_SiC Silicon Carbide Special Topics｜SiC Wafer Fabrication Process Technology Development Overview(Up)
The production of silicon carbide substrate needs to go through the process steps such as growing, cutting, edge guiding, grinding, polishing, cleaning, shipment inspection, etc., among which the key to affect the quality is the growing and cutting process. Silicon carbide was first synthesized artificially by Acheson in 1892, and then Lely improved the production method in 1955 to achieve better material quality. Although the purity of silicon carbide made in this way is relatively low, it has long been used as abrasive material, brake pads, heaters and refractory material because of its high hardness and resistance to high temperatures. It wasn't until 1995 that Cree developed a silicon carbide crystal growth technology that allowed for the production of larger sizes and high quality silicon carbide crystals, which led to the development of the industry.
碳化矽長晶難度非常高，其困難點包括 : (1).生長溫度超高，且對溫度和壓力的控制要求嚴格；(2).長晶速度緩慢；(3).晶體結構種類繁多，但半導體應用只有6H-SiC與4H-SiC等兩種，製程稍有變異就製造出無用基板；(4).在密閉且黝黑的石墨坩鍋中進行長晶製程，外界很難觀察晶體實際生長狀況，只能依經驗即時調整製程參數，因而容易產生缺陷。目前發展出物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學氣相沉積法(HTCVD)、液相磊晶法(LPE)等三種的長晶技術，其比較如表1所列，以物理氣相傳輸法為大多數廠商使用的市場主流技術，其設備主要供應商有PVA、TePla、Takeuchi、日新技研、第一機電、S-tech等公司。
表1、三種碳化矽長晶技術比較
資料來源 : 智璞產業趨勢研究所整理，2023/08
物理氣相傳輸法是由俄國科學家Tairov和Tsvetkov自Lely法改良而得。其作法是以多晶碳化矽粉末為原料，利用感應線圈或電阻絲加熱至2300~2500°C的高溫後昇華分解為Si、Si2C、SiC2氣體，隨著氣體對流被運輸到晶種再結晶出碳化矽晶體，一般會讓兩者距離數十毫米以避免生長的晶體與粉末接觸，而晶體結構則由成長溫度、氣壓及晶種的表面極性決定。它的優點是技術成熟，使用的原材料、耗材及設備成本較低。缺點是氣相成分比例較控制不易、無法持續供應原料與難以生長半絕緣型基板。此方法最大困難處是需在封閉系統中平衡Si、C、Si2C及SiC2等氣體比例，以確保基板成分的一致及均勻性。另外溫度及成長速度的控制也很重要，如果成長太快容易產生缺陷，進而變為成核點以致使晶碇長出多種晶相而無法用於元件製程，甚至當缺陷過高時可能導致整個基板破裂。此外，碳化矽粉末的雜質經常成為晶體缺陷來源，所以通常需要使用純度達99.9999% (6N)的粉末。目前碳化矽粉末合成技術有Acheson法、氣相沉積法、溶膠凝膠法、機械力合金化法與固態燃燒合成法。
高溫化學氣相沉積法是由瑞典Linköping大學學者發明，其方法是以感應線圈將反應爐加熱到1800~2300℃，並以氦氣或氫氣為載體，將矽基氣體SiH4與碳基氣體C3H8或C2H4輸入反應爐後產生化學反應以生成碳化矽結晶叢，之後因高溫昇華而在晶種上沉積單晶晶體。它的優點是氣相中碳與矽比例控制容易、可持續供應氣體原料、晶體純度高與摻雜方便。雖然此方法不需要以高純度碳化矽粉末為原料，但因為涉及到許多化學反應動力學上的不穩定因素，較難控制整體製程穩定性且晶體缺陷密度較高，故目前仍無法用於大規模生產碳化矽基板。
液相磊晶法是由德國Erlange-Nürnberg大學學者發明，其方法是將作為碳源的石墨坩堝中放入含碳基溶劑之矽熔液，將碳化矽晶種放置在石墨坩堝頂部並與熔液接觸，當溫度較低的晶種從高溫矽溶液拉出時會形成單晶晶體。其優點是可以大幅降低生長溫度，進而減少從高溫冷卻過程中因為熱應力導致的差排缺陷，還可實現不同差排缺陷間的轉換，讓刃差排和螺旋差排在晶體生長過程中轉變為疊差，最後因為改變傳播方向而排出到晶體外，進而長成低缺陷密度的高品質碳化矽基板。此外由於生長氣壓較高且溫度較低，讓鋁不容易揮發流失，故較容易製作高載子濃度的P-type碳化矽基板。不過目前存在固液介面控制困難、去除含碳基溶劑不易、大尺寸晶碇成分均勻性不佳等問題有待解決，故仍處於技術研究階段。
September_SiC Silicon Carbide Special｜SiC Silicon Carbide Substrate Market Development Current Analysis
September_SiC Silicon Carbide Special Topics｜SiC Wafer Fabrication Process Technology Development Overview(Next)
