TWI747238B - 碳化矽材料及其製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種碳化矽（SiC）材料及其製備方法，更具體地，關於一種包括碳化矽（SiC）層的碳化矽（SiC）材料及其製備方法，其中，在所述碳化矽（SiC）層的至少一部分上形成有平均晶粒尺寸為3.5㎛以下並在X射線繞射分析中（111）面優先生長的低熱導率區域。

Description

碳化矽材料及其製備方法
本發明關於一種碳化矽材料及其製備方法。
現有的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料形成為其晶粒尺寸為3㎛至15㎛、平均晶粒尺寸為7㎛至8㎛，由此形成較少的晶界。因此，由於以晶粒引起的熱導率為主，顯示出較高的熱導率值。這些化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料的高熱導率有利於熱釋放，以最大限度地減少用於在部分半導體蝕刻製程的高溫製程條件下的半導體設備的損壞。
在大型積體電路（Large scale integrated circuit，LSI）等使用較低製程溫度的半導體製程中，需要對晶圓邊緣進行均勻刻蝕以提高半導體晶片的產率，因此需要形成均勻的晶圓溫度。在此類製程中，當使用傳統的高熱導率化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料時，由於熱損失，晶圓中的溫度不均勻性會增加。
本發明的目的在於解決上述問題，即提供一種碳化矽（SiC）材料及其製備方法，其可以通過平均晶粒尺寸的細化來調整熱導率，並有效地適用於需要低溫的半導體製造製程。
然而，本發明要解決的問題並非受限於上述言及的問題，未言及的其他問題能夠通過以下記載由本領域普通技術人員所明確理解。
根據本發明的一實施例，關於一種包括低熱導率區域的碳化矽（SiC）材料，其中，所述低熱導率區域的平均晶粒尺寸為3.5㎛以下並在X射線繞射分析中（111）面優先生長。
根據本發明的一實施例，所述低熱導率區域的平均晶粒尺寸可以是0.5至3.5㎛。
根據本發明的一實施例，所述低熱導率區域，根據以下公式1計算的X射線繞射分析的繞射強度比（I）可以是0.5以下， [公式1] 繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度＋（311）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度。
根據本發明的一實施例，所述低熱導率區域，根據以下公式2計算的X射線繞射分析的繞射強度比（I）可以是0.5以下， [公式2] 繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度。
根據本發明的一實施例，所述繞射強度比（I）可以是0.001至0.3。
根據本發明的一實施例，所述低熱導率區域的熱導率可以是200W/mk以下。
根據本發明的一實施例，所述低熱導率區域可以通過化學氣相沉積（CVD）方法來進行沉積。
根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）材料可以是用於製造半導體非記憶體製造的電漿處理裝置的部件的材料。
根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）材料是用於放置晶圓的環，所述低熱導率區域可以形成在放置晶圓的區域。
根據本發明的一實施例，所述低熱導率區域的溫度偏差可以是1℃以下。
根據本發明的一實施例，所述低熱導率區域可以是所述碳化矽（SiC）層面積的50%以上及100%以下。
根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）層的厚度可以是2mm以上。
根據本發明的一實施例，關於一種包括碳化矽（SiC）層的碳化矽（SiC）材料，其中，所述碳化矽（SiC）層的平均晶粒尺寸為3.5㎛以下，並在X射線繞射分析中（111）面優先生長。
根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）層的熱導率可以是200W/mk以下。
根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）層，根據以下公式1計算的X射線繞射分析的繞射強度比（I）可以是0.5以下， [公式1] 繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度＋（311）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度。
根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）層，根據以下公式2計算的X射線繞射分析的繞射強度比（I）可以是0.5以下， [公式2] 繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度。
根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）層的厚度可以是2mm以上。
根據本發明的一實施例，關於一種碳化矽（SiC）材料的製備方法，包括以下步驟：準備基板；在所述基板上使用化學氣相沉積（CVD）方法來形成碳化矽（SiC）層，並且，在所述碳化矽（SiC）層的至少一部分上形成有平均晶粒尺寸為3.5㎛以下並在X射線繞射分析中（111）面優先生長的低熱導率區域。
根據本發明，可以提供一種化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料，其可以通過調整平均晶粒尺寸來呈現相對於傳統的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料具有低熱導率的特性。
根據本發明，由於根據製程條件的變化以簡單的方法調整熱導率，因此可以以經濟的方式提供可適用於需要低溫的半導體製程的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料。
根據本發明，由於可以在大型積體電路（LSI）等微製程的半導體製造過程中在晶圓上形成均勻的溫度分佈，因此可以實現均勻的蝕刻到晶圓邊緣，並提高晶圓的產率及品質。
以下，參照附圖對本發明的實施例進行詳細說明。然而，能夠對實施例進行多種變更，並且，本申請的權利範圍並非受到上述實施例的限制或限定。對所有實施例的全部更改、其等同物乃至其替代物均包括在權利要求範圍。
實施例中使用的用語僅用於說明特定實施例，而非限定實施例。單數的表現除了在內容中明確指明之外，包括複數含義。在本說明書中使用的“包括”或者“具有”等用語應理解為存在說明書中記載的特徵、數值、步驟、操作、構成要素、部件或者這些組合，而不預先排除一個或者其以上的其他特徵或者數值、步驟、操作、構成要素、部件或者這些組合的存在，或者其附加可能性。
除額外定義之外，在這裡所使用的包括技術或者科學用語在內的所有用語具有本發明領域普通技術人員理解的一般含義。通常使用的詞典定義的用語應解釋為相關技術領域中的含義，除了在本說明書明確定義之外，不能解釋成理想的或者過於形式的含義。
此外，參照附圖進行說明中，與附圖標記無關，相同的構成要素賦予相同的附圖標記，並且省略重複說明。在說明實施例的過程中，當判斷對於相關公知功能或者構成的具體說明不必要地混淆實施例的要旨時，省略對其進行詳細說明。
本發明關於一種碳化矽（SiC）材料，根據本發明的一實施例，所述碳化矽（SiC）材料可以包括在至少一部分形成有低熱導率區域的碳化矽（SiC）層。所述碳化矽（SiC）層可以通過形成低熱導率區域來提供具有均勻溫度分佈的區域。
所述低熱導率區域可以是所述碳化矽（SiC）層面積的50%以上及100%以下。
可以通過調整所述碳化矽（SiC）層的平均晶粒尺寸來形成所述低熱導率區域，例如，在通過化學氣相沉積（CVD）方法的沉積製程中，可以通過調整由製程溫度、原料供應速度等製程變化引起的生長速度來稍微調整平均晶粒尺寸，並降低熱導率。即，可以通過減小所述低熱導率區域的平均晶粒尺寸來增加晶界的形成，從而形成抑制傳熱的結構，並顯示出低熱導率。
相對於整個所述碳化矽（SiC）層的平均晶粒尺寸或最大晶粒尺寸，所述低熱導率區域的平均晶粒尺寸可以比較小。例如，所述低熱導率區域的平均晶粒尺寸可以是3.5㎛以下；0.01㎛至3.5㎛；0.1㎛至3.5㎛；或0.5㎛至3.5㎛。當包括在所述低熱導率區域的平均晶粒尺寸範圍內時，可以形成低熱導率，並在所述低熱導率區域內形成均勻的溫度分佈。所述晶粒尺寸可以指晶粒的面積、長度、粒徑或直徑。
所述低熱導率區域是在X射線繞射分析中（111）面優先生長，並且，可以根據（111）面的優先生長來形成能夠提高碳化矽（SiC）材料在電漿環境中的穩定性和壽命的低熱導率區域。即，在所述碳化矽（SiC）層中，與不包括所述低熱導率區域的區域相比，可以實現相對較高的（111）面的優先生長。
例如，可以顯示出根據以下公式1和/或公式2的X射線繞射分析的繞射強度比（I）。所述線繞射分析的繞射強度比（I）可以是0.5以下；0.001至0.3以下；0.01至0.3；或0.1至0.2：
[公式1]
繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度＋（311）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度；
[公式2]
繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度。
相對於整個所述碳化矽（SiC）層的最大熱導率或平均熱導率，所述低熱導率區域的熱導率可以比較低，例如，可以是200W/mk以下；20W/mk至200W/mk；或80W/mk至200W/mk。所述低熱導率區域的溫度偏差可以是1℃以下；0.8℃以下；或0.5℃以下。當包括在所述低熱導率及溫度偏差範圍內時，可以顯示出均勻的溫度分佈，並在半導體製造製程中提高產品的品質、產率等。
所述碳化矽（SiC）層可以形成為2mm以上；10mm以上；或50mm以上的厚度，並且，可以通過化學氣相沉積（CVD）方法來沉積單個或多個層。當形成所述多個層時，可以形成相同或不同的層，其中，多個層的成分、厚度、低熱導率區域的平均晶粒尺寸、熱導率、晶面的生長方向等可以相同或不同。此時，當在形成所述多個層的碳化矽（SiC）層形成低熱導率區域時，隨著電阻偏差的縮小和結構變得均勻，可以預期層間明顯邊界變模糊的效果。
所述碳化矽（SiC）材料是用於製造半導體的電漿處理裝置的部件的材料，例如，可以是應用於需要低製程溫度的非記憶體的製造過程（即大型積體電路（LSI）半導體製造過程）的用於放置晶圓的環。所述碳化矽（SiC）材料可以在需要形成均勻的溫度分佈的部分形成低熱導率區域，並且，低熱導率區域可以形成在所述用於放置晶圓的環中與晶圓直接接觸的區域。由於可以在大型積體電路（LSI）半導體製造過程中在整個晶圓上形成均勻的溫度分佈，因此可以實現均勻的蝕刻到晶圓邊緣，並提高晶圓的產率及品質。
根據本發明的一實施例，關於一種碳化矽（SiC）材料，其包括具有低熱導率特性的碳化矽（SiC）層。
所述碳化矽（SiC）層的平均晶粒尺寸可以是3.5㎛以下；或0.01㎛至3.5㎛；0.1㎛至3.5㎛；或0.5㎛至3.5㎛。當包括在所述平均晶粒尺寸範圍內時，可以形成低熱導率，並形成均勻的溫度分佈。
所述碳化矽（SiC）層的熱導率可以是200W/mk以下；20W/mk至200W/mk；或80W/mk至200W/mk。或者，所述碳化矽（SiC）層的溫度偏差可以是1℃以下；0.8℃以下；或0.5℃以下。當包括在所述低熱導率及溫度偏差範圍內時，可以顯示出均勻的溫度分佈，並在半導體製造製程中提高產品的品質、產率等。
所述碳化矽（SiC）層是在X射線繞射分析中（111）面優先生長，並且，可以根據（111）面的優先生長在電漿環境中提供穩定的低熱導率材料。例如，可以顯示出根據以下公式1和/或公式2的X射線繞射分析的繞射強度比（I）。所述線繞射分析的繞射強度比（I）可以是0.5以下；0.001至0.3以下；0.01至0.3；或0.1至0.2：
[公式1]
繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度＋（311）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度；
[公式2]
繞射強度比（I）=（（200）面的峰值強度＋（220）面的峰值強度）/（111）面的峰值強度。
所述碳化矽（SiC）層可以形成為2mm以上；10mm以上；或50mm以上的厚度，並且，可以通過化學氣相沉積（CVD）方法來沉積單個或多個層。當形成所述多個層時，可以形成相同或不同的層，其中，層的成分、厚度、低熱導率區域的平均晶粒尺寸、熱導率、晶面的生長方向等可以相同或不同。此時，當在形成所述多個層的碳化矽（SiC）層形成低熱導率區域時，隨著電阻偏差的縮小和結構變得均勻，可以預期層間明顯邊界變模糊的效果。
本發明關於一種根據本發明的碳化矽（SiC）材料的製備方法，根據本發明的一實施例，可以包括以下步驟：準備基板；在所述基板上使用化學氣相沉積（CVD）方法來形成碳化矽（SiC）層。
只要可適用於碳化矽（SiC）層或碳化矽（SiC）材料的製備，所述準備基板步驟可以無限制地應用。
在所述基板上使用化學氣相沉積（CVD）方法來形成碳化矽（SiC）層的步驟中，整個碳化矽（SiC）層可以具有低熱導率特性，或者可以在至少一部分上形成有低熱導率區域。即，可以通過調整化學氣相沉積（CVD）方法的沉積製程條件，例如，可以通過調節製程溫度及原料供應流量等而控制生長速度來稍微調整平均晶粒尺寸，並可以增加晶界（例如，30%以上）來降低熱導率。
可以適當地選擇所述製程溫度以調整平均晶粒尺寸，例如，相對于通過傳統的化學氣相沉積（CVD）方法的碳化矽（SiC）層的沉積溫度,可以是較低的溫度，或相對於形成所述碳化矽（SiC）層步驟的最大或平均製程溫度，可以是較低的溫度。可以適當地選擇所述原料供應流量以調整平均晶粒尺寸，例如，相對於在通過傳統的化學氣相沉積（CVD）方法的沉積碳化矽（SiC）層時適用的供應流量或形成所述碳化矽（SiC）層步驟的最大或平均供應流量，可以是90%以下；60%以下；或50%以下。
在所述基板上使用化學氣相沉積（CVD）方法來形成碳化矽（SiC）層的步驟中，相對於在通過傳統的化學氣相沉積（CVD）方法的沉積碳化矽（SiC）層時適用的生長速度，可以是較低的生長速度；或相對於形成所述碳化矽（SiC）層步驟的最大或平均生長速度，可以是較低的生長速度。
實施例1
通過化學氣相沉積（CVD）方法在基板上沉積碳化矽（SiC）層（厚度為2mm），從而製備了形成有碳化矽（SiC）層的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料，其中，所述碳化矽（SiC）層具有0.5㎛至3㎛晶粒尺寸（平均晶粒尺寸：0.82㎛，採用ASTM E112測量方法）。
實施例2
通過化學氣相沉積（CVD）方法在基板上沉積碳化矽（SiC）層（厚度為2mm），從而製備了形成有碳化矽（SiC）層的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料，其中，所述碳化矽（SiC）層具有0.5㎛至3㎛晶粒尺寸（平均晶粒尺寸：2.2㎛，採用ASTM E112測量方法）。
比較例1
通過化學氣相沉積（CVD）方法在基板上沉積碳化矽（SiC）層（厚度為2mm），從而製備了形成有碳化矽（SiC）層的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料，其中，所述碳化矽（SiC）層具有3㎛至15㎛晶粒尺寸（平均晶粒尺寸：7.4㎛，採用ASTM E112測量方法）。
比較例2
通過化學氣相沉積（CVD）方法在基板上沉積碳化矽（SiC）層（厚度為2mm），從而製備了形成有碳化矽（SiC）層的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料，其中，所述碳化矽（SiC）層具有3㎛至15㎛晶粒尺寸（平均晶粒尺寸：9.07㎛，採用ASTM E112測量方法）。
評價例1
測量了實施例2及比較例1的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料的掃描式電子顯微鏡（SEM）和X射線繞射（XRD）並顯示在圖1（圖1a及圖1b、實施例2）、圖2（圖2a及圖2b、比較例1）。
通過使用“Rigaku DMAX200”設備，以測量範圍為10至80°、掃描速度（scan speed）為10及掃描步驟（scan step）為0.05，對X射線繞射（XRD）進行了測量。參照圖1，實施例2的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料的晶粒尺寸範圍為0.5㎛至3㎛，（111）面優先生長，由此可以確定根據公式1的繞射強度比（I）為0.01。
此外，比較例1的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料是一種常用的材料，其晶粒尺寸為3至15㎛（平均7.4㎛），（111）面優先生長，但由於（200）、（220）、（311）面的峰值強度為5000cps以上，因此可以確定它超過根據本發明的公式1的繞射強度比（I）的範圍。
評價例2
測量了在實施例及比較例中製備的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料的熱導率並顯示在圖3及表1。使用ASTM E122方法來測量了化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料的晶粒尺寸。通過使用“耐馳（NETZSCH）社，型號LFA447 NanoFlash”的分析設備，根據KS標準準備了試樣並測量了熱導率。
參照圖3，當平均晶粒尺寸為2.2㎛以下時，其呈現低熱導率特性；當平均晶粒尺寸為5㎛以上時，超過200W/mK；在8㎛以上時，超過300W/mK，可見，隨著晶粒尺寸的增大，熱導率也增大。
[表1]
  實施例1 實施例2 比較例1 比較例2
低熱導率（W/mK） 94 153 247 329
平均晶粒尺寸（㎛） 0.82 2.2 7.4 9.07
在本發明中，通過化學氣相沉積（CVD）沉積過程中的製程變化，將生長速度降低為低於比較例，從而將平均晶粒尺寸細化到3mm以下，並且，可以通過誘導（111）優先生長來提供具有80W/mK至200W/mK的低熱導率的化學氣相沉積（CVD）碳化矽（SiC）材料。
以上，通過有限的附圖對實施例進行了說明，本領域的普通技術人員能夠對上述記載進行多種修改與變形。例如，所說明的技術以與所說明的方法不同的循序執行，和/或所說明的構成要素以與所說明的方法不同的形態結合或組合，或者，由其他構成要素或等同物進行替換或置換也能夠獲得相同的效果。
由此，其他體現、其他實施例及權利要求範圍的均等物全部屬於專利權利要求的範圍。
無
[圖1a]為顯示在根據本發明實施例2中製備的碳化矽（SiC）材料的掃描式電子顯微鏡（SEM）影像。 [圖1b]為顯示在根據本發明實施例2中製備的碳化矽（SiC）材料的X射線繞射（XRD）圖譜分析結果。 [圖2a]為顯示在根據本發明的比較例1中製備的碳化矽（SiC）材料的掃描式電子顯微鏡（SEM）影像。 [圖2b]為顯示在根據本發明的比較例1中製備的碳化矽（SiC）材料的X射線繞射（XRD）圖譜分析結果。 [圖3]為顯示在根據本發明的實施例和比較例中製備的碳化矽（SiC）材料的平均晶粒尺寸及熱導率的測量結果。

Claims (15)

  1. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其中，所述碳化矽層包括平均晶粒尺寸為3.5μm以下並在X射線繞射分析中(111)面優先生長的低熱導率區域；以及所述低熱導率區域的溫度偏差為1℃以下。
  2. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其中，所述碳化矽層包括平均晶粒尺寸為3.5μm以下並在X射線繞射分析中(111)面優先生長的低熱導率區域；以及所述低熱導率區域，根據以下公式1計算的X射線繞射分析的繞射強度比(I)為0.5以下，[公式1]繞射強度比(I)=((200)面的峰值強度+(220)面的峰值強度+(311)面的峰值強度)/(111)面的峰值強度。
  3. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其中，所述碳化矽層包括平均晶粒尺寸為3.5μm以下並在X射線繞射分析中(111)面優先生長的低熱導率區域；以及所述低熱導率區域，根據以下公式2計算的X射線繞射分析的繞射強度比(I)為0.5以下，[公式2]繞射強度比(I)=((200)面的峰值強度+(220)面的峰值強度)/(111)面的峰值強度。
  4. 如請求項2或3所述之碳化矽材料，其中所述繞射強度比(I)為0.001至0.3。
  5. 如請求項2或3所述之碳化矽材料，其中所述低熱導率區域的熱導率為200W/mk以下。
  6. 如請求項2或3所述之碳化矽材料，其中所述低熱導率區域通過化學氣相沉積方法來進行沉積。
  7. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其中，所述碳化矽層包括平均晶粒尺寸為3.5μm以下並在X射線繞射分析中(111)面優先生長的低熱導率區域；以及所述碳化矽材料是用於製造半導體非記憶體的電漿處理裝置的部件的材料。
  8. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其中，所述碳化矽層包括平均晶粒尺寸為3.5μm以下並在X射線繞射分析中(111)面優先生長的低熱導率區域；以及所述碳化矽材料是用於放置晶圓的環，所述低熱導率區域形成在放置晶圓的區域。
  9. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其中，所述碳化矽層包括平均晶粒尺寸為3.5μm以下並在X射線繞射分析中(111)面優先生長的低熱導率區域；以及所述低熱導率區域是所述碳化矽層面積的50%以上及100%以下。
  10. 如請求項1至3、7、8及9中任一項所述之碳化矽材料，其中所述碳化矽層的厚度為2mm以上。
  11. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其平均晶粒尺寸為3.5μm以下，並在X射線繞射分析中(111)面優先生長；以及所述碳化矽層的熱導率為80W/mk至200W/mk。
  12. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其平均晶粒尺寸為3.5μm以下，並在X射線繞射分析中(111)面優先生長；以及所述碳化矽層，根據以下公式1計算的X射線繞射分析的繞射強度比(I)為0.5以下，[公式1]繞射強度比(I)=((200)面的峰值強度+(220)面的峰值強度+(311)面的峰值強度)/(111)面的峰值強度。
  13. 一種碳化矽材料，包括：碳化矽層，其平均晶粒尺寸為3.5μm以下，並在X射線繞射分析中(111)面優先生長；以及所述碳化矽層，根據以下公式2計算的X射線繞射分析的繞射強度比(I)為0.5以下，[公式2]繞射強度比(I)=((200)面的峰值強度+(220)面的峰值強度)/(111)面的峰值強度。
  14. 如請求項11、12或13所述之碳化矽材料，其中所述碳化矽層的厚度為2mm以上。
  15. 一種碳化矽材料的製備方法，包括以下步驟： 準備基板；在所述基板上使用化學氣相沉積方法來形成碳化矽層；及在所述碳化矽層的至少一部分上形成有平均晶粒尺寸為3.5μm以下並在X射線繞射分析中(111)面優先生長的低熱導率區域。
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