TW202323604A - 調整碳化矽單晶成長熱場之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供調整碳化矽單晶成長熱場之方法，步驟包括：(A)將一碳化矽料源進行篩選，並填入一石墨坩堝之底部；(B)將一導引器置入該石墨坩堝內；(C)將一剛性接熱材料放置於該導引器，使該導引器與該石墨坩堝之一坩堝壁的間隙降低；(D)將一晶種固定於該石墨坩堝之頂部；(D)將裝有該碳化矽料源及該晶種之該石墨坩堝置於物理氣相傳輸法用之一感應式高溫爐中；(E)進行一碳化矽晶體成長製程；以及(F)獲得一碳化矽單晶晶體。
Description
本發明係關於調整碳化矽單晶成長熱場之方法，特別是關於一種藉由剛性材料使薄殼導引器與石墨坩堝壁的間隙降低之調整碳化矽單晶成長熱場之方法。
由於隨著科技的的發展，對於半導體材料的規格需求越來越高，從第一代半導體以Si、Ge為主的材料，到第二代半導體以GaAs、InP為主的材料，一直到現今第三代半導體碳化矽(SiC)、GaN、Ga2O3、AlN、鑽石的寬能隙材料，皆是高功率或寬頻的使用需求演變而來，而目前市場上最熱門的材料即是SiC基板。SiC具有高硬度、高崩潰電場、高飽和電子遷移速率、高能隙等優異半導體特性，為高功率元件或是電動車元件的不二選擇。
SiC晶圓就使用上的需求，分別為半絕緣(Semi-insulation)與導電型(N-type or P-type)，目前全球前幾家大廠的主要商品，為四到六吋，部份製造商已展示過八吋，但型錄上尚未列入標準商品，此兩種類型分別使用於5G通訊與電動車市場，也是目前市場相當熱門的發展目標。此兩種類型之晶圓於規格上的差異，主要是有不同的電阻率及晶軸
方向。其中長晶過程中有個很大的的問題，在於晶體周圍缺陷的生成，導致可用面積下降。目前大廠的型錄依據等級差異，累積缺陷面積為≦10~30%，依據長晶的實務經驗顯示，晶體缺陷依發生位置可分為中心與周圍，但絕大多是都是周圍往內延伸居多。
單晶SiC生長的主要方法可分為液相生長法及氣相生長法，液相法即為柴氏拉晶法(Czochralski growth method)，但由於碳化矽需在3000K以上的高溫下，方可達其熔點，且碳在矽中的溶解度很低，控制不易，且長速相當慢，故此方法不適合工業上的生產。
氣相長晶法，除了化學氣相沉積(CVD)法外，係以Modified-Lely物理氣象傳輸法(Physical Vapor Transport,PVT)為主，長晶爐有熱阻式及感應式兩種，以後者居多。一般配置如第一圖，其中碳化矽晶種1置於石墨坩堝3之頂部，將碳化矽料源2置於石墨坩堝3之底部，再放入隔熱材4，並置於感應式長晶爐中，由感應線圈5加熱至2000~2500℃，並降壓至50torr以下，透過建立石墨坩堝3內上下的溫度梯度，使碳化矽料源2昇華並結晶至碳化矽晶種1。
典型的PVT法進行SiC長晶，隨著成長的時間越來愈長，通常會遇到以下問題，成長的單晶周圍會有多晶覆蓋上來，因此會放入導引器6的零件如第二圖，隔開外圍多晶，使晶體依照導引器6的路徑，進行成長，以達到晶體
厚度增高或擴晶的目的。與原本未使用導引器6相比，外圍多晶進不來，但導引器6內部卻也提供沉積多晶的平台，進而影響內部單晶成長狀況，一但多晶與單晶於成長過程接觸到，單晶邊緣會有很高的機會導致晶格扭曲或產生角度晶界，影響晶體可用區域，甚至在後段切研拋製程，會發生破裂風險，故避免導引器多晶的生成，是非常重要的議題。
物理氣相傳輸法主要是在高溫低壓的條件下，達到SiC的昇華點，由固體昇華為氣態之SiC反應氣體會到坩堝3相對冷區沉積，此時藉由控制熱場，使SiC沉積在晶種1，SiC單晶即開始成長。而為了達到晶體厚度增高或擴晶的目的，通常會引入導引器6，導引器6本身因暴露在SiC昇華氣體的反應區，非常容易出現多晶的沉積，也有研究人員會使用保護塗層，例如TaC、NbC等高溫陶瓷避免沉積，但保護塗層與導引器6的附著力，仍是一大技術困難點。
習知一種雙層式材料的導引器的SiC長晶方法，將導引器分成兩種材料，其中靠近昇華區的內層導引器，其熱導率>50W/(m．K)，外層導引器其熱導率<20W/(m．K)，其目的是利用低導熱率的材料，因相對多孔隙，更容易與腐蝕的氣體反應，進而消除或避免高導熱率導引管的腐蝕，因為生長過程的富含矽的昇華蒸氣，會與導引管的表面進行反應，導致表面不光滑，而影響晶體邊緣生長的品質。上述理論上可達此效果，但若PVT法使用的爐體為感應式加熱爐，
則會有不良的影響，因為感應式加熱IH(Induction Heating,IH)係透過在坩堝表面形成渦電流，加熱源為坩堝外層，並透過熱傳導及熱輻射傳遞熱到內部，而雙層導引管的設計阻礙了熱往內部傳遞，使導引器溫度偏低，導致更多的多晶沉積，對於後續單晶成長有不良影響。
綜上所述，目前藉由導引器調整碳化矽單晶成長熱場，會影響內部單晶成長狀況，一但多晶與單晶於成長過程接觸到，單晶邊緣會有很高的機會導致晶格扭曲或產生角度晶界，影響晶體可用區域，甚至在後段切研拋製程，因此本案之申請人經苦心研究發展出了調整碳化矽單晶成長熱場之方法，有效解決單晶成長所遭遇到之問題。
鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供調整碳化矽單晶成長熱場之方法，藉由更快速的熱傳導，將外部坩堝所產生熱，引入到導引管，降低或避免於成長過程中導引管上的結晶，進而提升單晶晶體的可用區域。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供調整碳化矽單晶成長熱場之方法，步驟包括：(A)將碳化矽料源進行篩選，並填入石墨坩堝之底部；(B)將導引器置入石墨坩堝內；(C)將剛性接熱材料放置於導引器，使導引器與石墨坩堝之坩堝壁的間隙降低；(D)將晶種固定於石墨坩
堝之頂部；(D)將裝有碳化矽料源及晶種之石墨坩堝置於物理氣相傳輸法用之一感應式高溫爐中；(E)進行一碳化矽晶體成長製程；以及(F)獲得一碳化矽單晶晶體。
較佳地，剛性接熱材料可為石墨、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)或碳化鎢(WC)之耐高溫低壓材料，熱導率>10W/m．K。
較佳地，剛性接熱材料之數量可至少為一個以上，其幾何形狀可為圓盤或多邊形之軸對稱幾何形狀。
較佳地，剛性接熱材料之數量可為二以上，彼此可以不同幾何形狀互相搭配。
較佳地，剛性接熱材料與該坩堝壁的間隙≦15mm。
較佳地，剛性接熱材料之頂部與該導引器之頂部的距離可為1mm至30mm。
較佳地，該剛性接熱材料之厚度≦15mm。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
1:晶種
2:碳化矽料源
3:坩堝
4:隔熱材
5:感應線圈
6:導引器
7:剛性接熱材料
A:間隙
B:距離
C:厚度
S1-S7:步驟
第一圖係為先前技術之石墨坩堝示意圖。
第二圖係為先前技術之石墨坩堝之導引器示意
圖。
第三圖係為本發明之碳化矽長晶石墨坩堝示意圖。
第四圖係為本發明之晶圓檢測圖。
第五圖係為本發明之調整碳化矽單晶成長熱場之方法流程圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
請參閱第五圖係為本發明之調整碳化矽單晶成長熱場之方法流程圖，及第三圖係為本發明之碳化矽長晶石墨坩堝示意圖。本發明在於提供調整碳化矽單晶成長熱場之方法，步驟包括：步驟S1，將碳化矽料源2進行篩選，並填入石墨坩堝3之底部。步驟S2，將導引器6置入石墨坩堝3內。步驟S3，將剛性接熱材料7放置於導引器6上，使導引器6與石墨坩堝3之坩堝壁的間隙降低。步驟S4，將晶種1固定於石墨坩堝3之頂部。步驟S5，將裝有碳化矽料源2及晶種1之石墨坩堝3置於物理氣相傳輸法用之一感應式高溫爐中。步驟S6，進行一碳化矽晶體成長製程。步驟S7，獲得一碳化矽單晶晶體。
在本實施方式中，剛性接熱材料7可為石墨、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)或碳化鎢(WC)之耐高溫低壓材料，熱導率>10W/m．K。另外，放置於導引器6上之剛性接熱材料7之數量可至少為一個以上，其幾何形狀可為圓盤或多邊形之軸對稱幾何形狀。再者，放置於導引器6上之剛性接熱材料7之數量若為二個以上，則剛性接熱材料7彼此可以為不同幾何形狀互相搭配。
在本實施方式中，剛性接熱材料7與石墨坩堝3之坩堝壁的間隙A≦15mm。另外，剛性接熱材料7之頂部與導引器6之頂部的距離可為1mm至30mm。再者，剛性接熱材料7之厚度≦15mm，透過剛性接熱材料7使薄殼導引器6與石墨坩堝3之坩堝壁的間隙降低，讓薄殼導引器6維持更高溫度，降低或避免多晶的沉積。不但可以降低碳化矽多晶延伸出的晶界缺陷，使可用面積提升，未來也可以用於擴晶實驗中。
以上，本發明使用物理氣相傳輸法(PVT)進行碳化矽單晶成長，並在長晶爐為感應式加熱的前提下，使用薄殼導引器6透過剛性接熱材料7連接坩堝壁的熱源，使其熱傳遞更快速到導引器6，並可依據不同的熱場設計需求，調整連接坩堝壁與石墨導引管6的剛性接熱材料7，包括材質、尺寸、幾何與接觸面積。
本發明使用感應式加熱爐體的SiC長晶爐，進行
SiC單晶成長，以剛性接熱材料7連接薄殼導引器6與石墨坩堝壁，剛性接熱材料7可以是耐高溫低壓的金屬、碳化物、碳材等其他純元素或是化合物，藉由更快速的熱傳導，將外部坩堝3所產生熱，引入到導引管6，降低或避免於成長過程中導引管6上的結晶，進而提升單晶晶體的可用區域。
本發明係利用感應式加熱技術為考量，讓特定頻率之交流電通過銅線圈，使線圈周圍會產生交變磁場，利用電磁感應，使坩堝3產生渦電流，達到加熱的目的，且由於集膚效應的影響，渦電流集中在坩堝3的表面，換句話說，加熱源集中在坩堝3表面，而坩堝3內設有薄殼導引器6的情況下，熱源不易到達導引器6，故我們透過剛性接熱材料7連接薄殼導引器6與石墨坩堝3之坩堝壁，讓薄殼導引器6維持更高溫度，降低或避免多晶的沉積。
本發明係透過剛性接熱材料7連接薄殼導引器6，剛性接熱材料7必需可承受高溫低壓之環境，例如石墨、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)或碳化鎢(WC)等；連接方式可以是全接觸、未接觸方式；幾何形狀可依照使用需求進行變化，但以軸對稱為原則。示意圖如第三圖，間隙A、距離B、厚度C均為可調整之尺寸。
本實施例將比較四種實驗，如第四圖，分別使用(1)左上圖為正規(Normal)導引管6所產出的晶圓。(2)右上圖為接熱構型導引管6，間隙A、距離B、厚度C=8mm，剛性
接熱材料7為石墨所產出的晶圓。(3)左下圖為接熱構型導引管6，間隙A=1mm、距離B=5mm、C=1mm，剛性接熱材料7為TaC所產出的晶圓。(4)右下圖為接熱構型導引管6，間隙A=1mm、距離B及厚度C=5mm，剛性接熱材料7為石墨所產出的晶圓。將其分別安裝在含有3.5公斤碳化矽料源2之石墨坩堝3上方，隔熱材4包裹已安裝完畢之石墨坩堝3，放入加熱爐中進行成長，成長溫度為2100~2200℃、壓力為5Torr，成長100小時後可各得約1.5公分厚之碳化矽晶體。
以碳化矽晶體晶種為基準面，往上1公分處進行切割，切割下來的晶圓進行XRT(X-Ray Topography)檢測，觀察晶圓周圍晶界狀況。如第四圖，左上圖為正規導引管所產出的晶圓，依序可以觀察到周圍缺陷逐步遞減，因此，本發明可有效提升晶圓良率。
綜上所述，本發明係一種調整碳化矽單晶成長熱場之方法，針對物理氣相傳輸法進行構型設計，並以感應式加熱技術及坩堝3內設有薄殼導引器6的情況下為考量，讓集中在坩堝3表面的加熱源，透過剛性接熱材料7使薄殼導引器6與石墨坩堝3之坩堝壁的間隙降低，讓薄殼導引器6維持更高溫度，降低或避免多晶的沉積。不但可以降低碳化矽多晶延伸出的晶界缺陷，使可用面積提升，未來也可以用於擴晶實驗中之功效。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及
功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S1-S7:步驟
Claims (7)
- 一種調整碳化矽單晶成長熱場之方法，步驟包括：(A)將一碳化矽料源進行篩選，並填入一石墨坩堝之底部；(B)將一導引器置入該石墨坩堝內；(C)將一剛性接熱材料放置於該導引器，使該導引器與該石墨坩堝之一坩堝壁的間隙降低；(D)將一晶種固定於該石墨坩堝之頂部；(D)將裝有該碳化矽料源及該晶種之該石墨坩堝置於物理氣相傳輸法用之一感應式高溫爐中；(E)進行一碳化矽晶體成長製程；以及(F)獲得一碳化矽單晶晶體。
- 如申請專利範圍第1項所述之調整碳化矽單晶成長熱場之方法，其中該剛性接熱材料為石墨、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)或碳化鎢(WC)之耐高溫低壓材料，熱導率>10W/m．K。
- 如申請專利範圍第1項所述之調整碳化矽單晶成長熱場之方法，其中該剛性接熱材料之數量至少為一個以上，其幾何形狀為圓盤或多邊形之軸對稱幾何形狀。
- 如申請專利範圍第3項所述之調整碳化矽單晶成長熱場之方法，其中該剛性接熱材料之數量為二以上，彼此以不同幾何形狀互相搭配。
- 如申請專利範圍第1項所述之調整碳化矽單晶成長熱場之方法，其中該剛性接熱材料與該坩堝壁的間隙≦15mm。
- 如申請專利範圍第1項所述之調整碳化矽單晶成長熱場之方法，其中該剛性接熱材料之頂部與該導引器之頂部的距離為1mm至30mm。
- 如申請專利範圍第1項所述之調整碳化矽單晶成長熱場之方法，其中該剛性接熱材料之厚度≦15mm。
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