九月_SiC碳化矽專題｜SiC碳化矽晶圓製程技術發展概況分析(上)
製作碳化矽基板需經過長晶、切割、磨邊導角、研磨、拋光、清洗、出貨檢查等製程步驟，其中影響品質的關鍵是長晶、切割製程。最早是於1892年由Acheson以人造方式合成碳化矽，後於1955年Lely改良製作方法取得較佳的材料品質。這種方式作成的碳化矽雖然純度較低，但因為硬度高又耐高溫，所以很早就被用作研磨材料、剎車片、加熱器和耐火材等用途。直到1995年Cree開發出可以製作較大尺寸且高品質的碳化矽晶體生長技術，進而開啟該產業的發展。
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。
