日本日新技研公司的昇華發碳化矽長晶設備,在日本國內得到了國際一流的碳化矽製造企業新日鐵等多家企業的採購訂單。

同時,HTCVD長晶爐的也銷售到日本的半導體廠家與國家研究機構;同時,其也針對日本客戶開發碳化矽液相法長晶爐。可謂在國際上第一流的碳化矽長晶爐設備製造商,具有完整的碳化矽設備經驗。

 

SiC晶體生長方法

4H碳化矽晶體的生長方法以物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport, PVT)、高溫化學氣相沉積法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HT-CVD)法以及液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy, LPE)為主流,而其中超過90%的長晶廠使用物理氣相傳輸法作為量產手段:

 

物理氣相傳輸法(PVT)

高溫化學氣相沉積法 (HT-CVD)

液相磊晶法(LPE)

生長溫度 (oC)

2200-2500

1500-2200

1460-1800

生長速度(mm/hour)

0.2-0.4

0.3-1.0

0.5

 

PVT法走入量產已經發展了20年以上,因此雖然晶體品質的控制上仍有先天上的技術瓶頸,但在當前仍然是碳化矽襯底的主要生產方式。而HT-CVD法雖然起步較晚,因為其原料為高純度的氣體,從產品的多樣性來看有其非常大的優勢。LPE法因生長出的薄膜品質高缺陷密度低,因此在未來也可能有極大的發展空間。

 

 

a.昇華法:

物理氣相傳輸法(physical vapor transport,PVT) 又稱為昇華法(sublimation),碳化矽多晶料放置於石墨坩堝的底部,而碳化矽籽晶黏著於石墨內壁的上端,生長面為(0001)面;石墨坩堝週邊包覆絕緣石墨保溫材料,放置于由石英管所構成的真空室中,雙層石英管中間通恒溫的冷卻水,石墨坩堝置於感應線圈的中心,線圈位置可上下移動調整對石墨坩堝的加熱效應,通過機械泵和分子泵工作,生長室真空度可達到10-3Pa。測溫系統由分別置於設備上下兩端的紅外高溫探測儀組成,對生長溫度和壓力進行精確控制,保障碳化矽單晶生長的穩定性和重複性。

 

 b.HTCVD法:

HT-CVD法是在1500-2200度的高溫下,通入高純特氣(矽烷silane, SiH4, 乙烷ethane或丙烷propane, 及氫氣H2等)在生長腔內進行反應,先在溫度較高的裂解反應區形成SixCy 的前驅物,再經由氣體的帶動下進入較低溫的籽晶端前沉積形成單晶。

因為反應氣體的持續供應,能夠有效的控制生長過程的Si/C比例,降低因為偏離劑量比造成的晶體缺陷之外,也能夠有效的進行摻雜,準確控制摻雜量,因此HT-CVD法已經證明可以生長出高品質n型或p型碳化矽晶體;另外HT-CVD法最重要優點在於因為特氣純度高、雜質含量低,因此能夠成功進行高純度高品質半絕緣碳化矽晶體的生長。HT-CVD的熱場設計、生長時的溫度控制、各種特氣流量及搭配、及腔體內壓力設定,為控制晶體生長速率及晶體品質的關鍵。

 

 

 c.LPE法:

利用類似提拉法的長晶爐結構,碳化矽籽晶固定在籽晶杆前端,石墨坩堝裡裝填矽原料以及少量的摻雜物,加熱至矽的融點以上(1500-1700度)將矽融化後,經由籽晶的旋轉或是再加上坩堝的反向旋轉,使熔體裡的碳以及摻雜元素均勻散佈;借由緩慢降溫使溶液過飽和後在籽晶前端生長出碳化矽單晶。因為碳在矽溶液裡的溶解度過低,因此必須添加如過渡金屬元素於矽熔體中,以提高碳的濃度,來提升晶體生長速率。

LPE法最大的優點在於有機會生長出相較其他方法缺陷密度更少的晶體,並且生長溫度也相較低,在更接近熱力學平衡的條件下,對碳化矽晶型的控制也較好。如何控制摻雜量以及均勻性,並且選擇適合的過渡金屬,為控制晶體生長速率及晶體品質的關鍵。