TWI760069B - 半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法 - Google Patents

半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法 Download PDF

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Abstract

本申請涉及一種半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其包括：提供半絕緣單晶碳化矽塊材，其中半絕緣單晶碳化矽塊材具有第一矽空缺濃度，第一矽空缺濃度大於5E11cm^-3；細化半絕緣單晶碳化矽塊材，以獲得半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，其中半絕緣單晶碳化矽粗顆粒具有第二矽空缺濃度以及第一粒徑，第二矽空缺濃度大於5E11cm^-3，第一粒徑介於50μm至350μm之間；自體撞擊半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，以獲得半絕緣單晶碳化矽粉末，其中半絕緣單晶碳化矽粉末具有第三矽空缺濃度以及第二粒徑，第三矽空缺濃度大於5E11cm^-3，第二粒徑介於1μm至50μm之間。

Description

半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法
本申請有關於一種碳化矽粉末的製備方法，特別是一種具備高矽空缺濃度的半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法。
半導體材料歷經三個發展階段，第一代是矽(Si)、鍺(Ge)等基礎功能材料；第二代開始進入由二種以上元素組成的化合物半導體材料，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等為代表；第三代則是氮化鎵 (GaN)、碳化矽(SiC)等化合物半導體材料。第三代半導體材料屬於寬能帶隙材料，具有高頻、耐高電壓、耐高溫等優勢，且導電性、散熱性佳，可降低能量耗損，元件體積相對較小，適合功率半導體應用。但是碳化矽的生產條件的控制難度大，導致碳化矽晶圓量產不易，直接影響了終端晶片與應用的發展。
另一方面，碳化矽材料除了可以做為晶圓應用於半導體產業，亦可以做為螢光發光材料應用於生醫產業中。舉例而言，半絕緣單晶碳化矽具有發光的特性而能夠當作追蹤檢測標靶。然而，發光特性會受到碳化矽粉末的表面型態影響。在這種情況下，濕式製程(例如，使用鑽石線切割)所獲得的碳化矽粉末不僅表面粗糙、容易摻有雜質，甚至會因為團聚而使粒徑變大。如此一來，碳化矽粉末的發光效率就會銳減，導致難以實現穩定的發光效果。
鑒於上述習知技術之缺點，本申請提供一種半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，特別是一種具備矽空缺的高純度半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法。
根據本申請實施例公開的一種半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其包括：提供半絕緣單晶碳化矽塊材，其中半絕緣單晶碳化矽塊材具有第一矽空缺濃度，第一矽空缺濃度大於5E11cm^-3；細化半絕緣單晶碳化矽塊材，以獲得半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，其中半絕緣單晶碳化矽粗顆粒具有第二矽空缺濃度以及第一粒徑，第二矽空缺濃度大於5E11cm^-3，第一粒徑介於50μm至350μm之間；自體撞擊半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，以獲得半絕緣單晶碳化矽粉末，其中半絕緣單晶碳化矽粉末具有第三矽空缺濃度以及第二粒徑，第三矽空缺濃度大於5E11cm^-3，第二粒徑介於1μm至50μm之間。
本申請的其他優點將搭配以下的說明和圖式進行更詳細的解說。
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。所屬技術領域的具有通常知識者基於本申請中的實施例所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。
必須了解的是，使用於本說明書中的「包含」、「包括」等詞，用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。
本申請公開一種大尺寸、高電阻率、低缺陷之高純度半絕緣單晶碳化矽塊材，藉由物理氣相傳輸法(physical vapor transport，PVT)成長高純度單晶系統中，利用控制高純度長晶原料之Si/C比例及粒徑分佈，在晶體生長過程中控制長晶溫度及時間，使系統中成為富碳(C-rich)環境。在淺能級導電元素稀缺的狀態下，可以於晶體內生成本徵缺陷矽空缺並控制矽空缺濃度。以本徵缺陷做為其主導提升電阻率之機制，以達到半絕緣晶圓之電性範圍。此外，因使用高純度原料，於長晶過程中排除了雜質導入晶體之機率，因此本申請公開一種高純度半絕緣單晶碳化矽塊材的微管缺陷低於3cm^-2。
此處所稱的大尺寸是指直徑至少4英吋，或者4英吋至6英吋，且厚度至少350μm的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片(晶圓)。而高純度是指長晶原料之純度>99.99%。而高電阻率是指電阻率大於1E7 ohm-cm或者在室溫下至少1E7 ohm-cm。此外，說明書實施例中所指的晶體是指由碳化矽成長系統製作的碳化矽晶體，而對碳化矽晶體切割後的成品一般稱作晶片或者晶圓(Wafer)。
本申請的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體或矽晶片的高電阻率特性由晶體或晶片內的本徵缺陷(矽空缺)濃度主導，矽空缺在晶體生長過程中即可完成，不須額外進行退火製程或中子轟擊製程，因此簡化了製程。
參考圖1，為本申請用於成長高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的成長系統的示意圖。如圖所示，成長系統包括有坩堝2、保溫材3與加熱器7。坩堝2用於使晶種1藉由材料源6以長晶。保溫材3設置於坩堝2外部，圖式中繪示的保溫材3是包覆於坩堝2的外部，但實際上也不一定要包覆於坩堝2外部，只要可以達到溫度保持的效果即可，因此圖示中僅為示意。加熱器7用以提供熱源，圖示中繪示的加熱器7是複數個，也可以視系統配置，設置為一個，圖示中的數量僅為示意說明，並非限制加熱器7實際的設置數量。加熱器7可以使用高週波加熱器或者電阻式加熱器，更具體的實施例中，加熱器7可使用加熱線圈或加熱電阻絲(網)。
坩堝2的內部上方配置有固持器4，固持器4用於固定晶種1。坩堝2的內部下方可配置材料源6，晶種1與材料源6的空間可以做為碳化矽晶體的成長區5。放置晶種1的區域可以定義為晶種區，放置材料源6的區域可以定義為料源區。因此一個空的坩堝2內部是具有晶種區、料源區以及成長區。在一非限定的實施例中，坩堝2可為石墨坩堝，保溫材3可為石墨毯、多孔性絕熱碳材。
在實施例中，晶種可使用碳化矽，本申請所使用的晶種可以是一厚度350μm以上，直徑4英吋到6英吋以上單晶晶圓片，用以成長相對應尺寸以上之單晶晶體。單晶晶圓片可以是碳化矽。而坩鍋內容納材料源的料源區可使用碳化矽，料源形態可以是粉狀、粒狀、或塊狀，純度為＞99.99%，其結晶相可以為α相或β相，矽碳比例(Si/C ratio)可以為0.95至1.05。
透過坩堝2的構型、保溫材3的構型及加熱器7來控制坩堝2內溫度分佈、氣氛流動及料源的昇華過程，將昇華之氣體分子傳送並沉積在晶種1(晶片)上而製成碳化矽晶體。在長晶過程的一實施例中，製程條件為控制坩堝內底部到晶種區的溫差範圍為10℃至300℃，氬氣流量範圍控制在100至1000sccm，壓力範圍控制在1至200torr，長晶時晶種溫度範圍控制於2000℃至2270℃之間。其中最重要的是控制料源的純度及型態、長晶溫度區間、及長時間長晶，以先消耗系統內部導電元素後，當晶體內部本徵缺陷生成後便可主導晶體電性表現。
根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其透過在晶種的生長表面上沉積含Si和C的蒸氣物質生長，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶體內具有矽空缺，其中矽空缺濃度至少大於5E11cm^-3，小於5E13cm^-3。在先前技術中，通常，碳化矽晶片中固有的矽空缺濃度約為2E11cm^-3至3E11cm^-3。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其直徑大於等於90毫米。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其直徑小於等於200毫米。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其電阻率大於1E7 ohm-cm。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米3個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米2個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米1個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米0.4個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其微管密度少於每平方釐米0.1個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體，其所包括的單一多形體的單晶選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。晶片可以選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。可獲得的晶片是沿軸取向的，例如正軸取向，或者多種離軸取向的，比如（但不限於）選自4°和3.5°和2°。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的厚度至少8 mm。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的厚度為8mm至30 mm。
以下的實施例說明本申請公開的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的具體製程，藉由物理氣相傳輸法(physical vapor transport, PVT)，使用高純度長晶原料及部件、調整製程窗口及時間，除晶體生長過程中可以有效抑制雜質及導電元素進入晶體內，提升晶體品質，並輔以熱場優化及製程控制，除使整體之長晶生長面更平坦外，並使晶體本徵缺陷濃度提升，達到4到6英吋碳化矽晶體電阻率至1E7 ohm-cm。
第一個實施例說明利用圖1的成長系統成長6英吋單晶碳化矽晶體。本實施例使用之起始原料為純度99.99%以上之高純度碳化矽粉料，平均粒度為5至20mm，初始矽/碳比為1，長晶後重新測量餘料的矽/碳比下降至0.85。
搭配上述碳化矽料源以PVT法製備4H-SiC單晶晶體，生長製程於高溫真空感應爐中的石墨坩堝進行，晶種長晶溫度約為2100℃，系統使用Ar為載體氣體，其系統長晶時壓力約為5 torr，生長時間為150小時。使用約500µm碳化矽單晶晶圓片作為晶種。
首先進行抽氣製程，將4H-SiC晶種以固持器加以固定，然後進行抽氣，以移除坩堝系統內的空氣及其他雜質。抽完氣後，進行加熱製程。於加熱製程中，加入惰性氣體Ar作為輔助氣體，並使用加熱線圈加熱整個系統，加熱至約2100℃並持續長晶時間長達150小時。透過第一實施例的製程條件可產出晶體界面形狀為凸界面的6英吋單晶碳化矽晶球，其晶體生長速率可達100-250µm/hr。
成長完後的晶體，可以對其進行電阻率、微管密度、雜質元素或者矽空缺的測量。將成長後的晶體進行切片研磨後得到晶片（或稱晶圓），晶片不須退火即可進行電阻率量測。量測6英吋晶片中心140mm區域，電阻值皆大於1E7 ohm-cm，如圖2所示。
使用X光拓樸儀分析6英吋晶片，得到微管數量為10，整體6英吋微管密度為微管數量/6英吋晶圓面積，即為10/(7.5*7.5*3.1416)= 10/176.75= 0.056，亦即這個實施例的微管密度少於每平方釐米0.1個，如圖3所示。
使用輝光放電質譜（Glow Discharge Mass Spectrometer ，GDMS）及二次離子質譜（Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS）分析6英吋晶圓的雜質元素，可得到如下表的結果，其中，N元素使用SIMS量測，其他元素使用GDMS量測，提供ppm及離子濃度兩種單位，晶體內導電性雜質元素含量皆小於5E15cm^-3。
晶體編號 實施例1
元素 GDMS (ppm/cm^-3)
N SIMS: 4.30E+15
B 0.02  (3.76E+15)
Al 0.04 (2.87 E+15)
P ＜0.05 (＜3.14E+15)
Ti ＜0.01 (＜4.04E+14)
V ＜0.01 (＜3.38E+14)
Fe ＜0.1 (＜3.46E+15)
Ni ＜0.05 (＜1.67E+15)
對6英吋晶圓進行電子順磁共振（EPR）光譜分析，可得晶體中主要缺陷為矽空缺，如圖4所示，利用光學檢測之結果，圖中所示的矽空缺濃度為5.22E11 cm^-3至1.02E12 cm^-3。
第二個實施例說明利用圖1的成長系統成長4英吋單晶碳化矽晶球。本實施例使用之起始原料為純度99.99%以上之高純度碳化矽粉料，平均粒度為100至300μm，初始矽/碳比為1，長晶後重新測量餘料的矽/碳比下降至0.87。
搭配上述碳化矽料源以PVT法製備4H-SiC單晶晶體，生長製程於高溫真空感應爐中的石墨坩堝進行，而晶種長晶溫度約為2180℃，系統使用Ar為載體氣體，其系統長晶時壓力約為5 torr，生長時間為200小時，使用約500μm碳化矽單晶晶圓片作為晶種。
首先進行抽氣製程，將4H-SiC晶種以固持器加以固定，然後進行抽氣，以移除坩堝系統內的空氣及其他雜質。抽完氣後，進行加熱製程。於加熱製程中，加入惰性氣體Ar作為輔助氣體，並使用加熱線圈加熱，整個系統加熱至約2100℃並持續長晶時間長達200小時。透過第二實施例的製程條件可產出晶體界面形狀為凸界面的直徑＞140 mm的單晶碳化矽晶球，其晶體生長速率可達100-250μm/hr。
成長完後的晶體，可以對其進行電阻率、微管密度、雜質元素或者矽空缺的測量。將成長後的晶體進行切片研磨後得到晶片（或稱晶圓），晶片，不須退火即可進行電阻率量測。量測4英吋晶圓中心90mm區域，電阻值皆大於1E11ohm-cm，如圖5所示。
使用X光拓樸儀分析4英吋晶片，得到微管數量為1，整體4英吋微管密度為微管數量/4英吋晶圓面積，即為1/(5*5*3.1416)= 1/78.54= 0.012 ，亦即這個實施例的微管密度少於每平方釐米0.02個，如圖6所示。
使用GDMS及SIMS分析6英吋晶圓的雜質元素，可得到如下表的結果，晶體內導電性雜質元素含量皆小於1E16cm^-3。
晶體編號 實施例2
元素 GDMS (ppm/cm^-3)
N SIMS: 1.90E+15
B 0.04 (6.93E+15)
Al 0.03 (2.10E+15)
P ＜0.05 (＜3.14E+15)
Ti ＜0.01 (＜4.04E+14)
V ＜0.01 (＜3.38E+14)
Fe ＜0.1 (＜3.46E+15)
Ni ＜0.05 (＜1.67E+15)
對4英吋晶圓進行EPR分析，可得晶體中主要缺陷為矽空缺，如圖7所示，利用光學檢測之結果，圖中所示的矽空缺濃度為7.07E12 cm^-3。
我們將第二實施例的晶體中進行切割，並且對不同位置的切片進行矽空缺濃度分析，如圖8所示。以圖1的成長系統為例，較靠近晶種的切片編號為1，一共切割20片，亦即圖8橫軸的編號。由晶種至長晶表面，矽空缺濃度分別為1.9E12cm^-3、7E12 cm^-3、5.9E12 cm^-3、及3.3 E12 cm^-3。
根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，包括單一多形體的單晶，該高純度半絕緣單晶碳化矽晶片內具有矽空缺，其中矽空缺濃度至少大於5E11cm^-3，小於5E13cm^-3。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其直徑大於等於90毫米。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其直徑小於等於200毫米。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其電阻率大於1E7 ohm-cm。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米3個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米2個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米1個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米0.4個。
在一實施例中，根據前述實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其微管密度少於每平方釐米0.1個。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片，其所包括的單一多形體的單晶選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。晶片可以選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。可獲得的晶片是沿軸取向的，例如正軸取向，或者多種離軸取向的，比如（但不限於）選自4°和3.5°和2°。
依據本申請的晶片適合用於高頻功率器件，高功率器件，高溫器件、光電子器件以及III族氮化物的沈積。
依據本申請的晶片適合作為單光子光源，亦即量子電腦的積體電路基板。
參考圖9，展示了第二實施例的電子順磁共振（EPR）光譜。將樣品切成5.5cm×7mm的尺寸，並用9.70396×1E9 Hz的微波照射。在光譜中，碳化矽晶片在300K溫度下在3460.70343G處產生零點。通過公式hυ=gμB B（h：普朗克常數，υ：頻率； g：g因子；μB：Bohr磁子； B：磁場）進行計算後，實施例2，編號11晶片的g因子為2.00343，這意味著矽空缺包含在碳化矽中（矽空缺的信號為g = 2.0032±0.0004）。
參考圖10，是第二實施例的晶片的光致發光光譜。某些拉曼信號對摻雜濃度和空缺濃度不敏感，例如，橫向-光學模式。對於785nm激光激發，在851nm波長處是LO模式，在838nm波長處是4H-SiC的TO模式。在圖9中，實施例二19的光致發光與LO模式拉曼信號之比（比率（PL / LO））為5.1。因此，實施例二中的矽空缺密度約為5.1÷0.7 = 7.29（×1E12cm^-3）。實際上，LO模式峰值的強度和波數受摻雜濃度的影響很大，並導致難以通過比率（PL / LO）來推測SiC的空缺密度。為了測量不同的電阻率SiC，使用TO模式的光致發光信號來測量矽空缺濃度，因為它在不同晶片中的穩定性和與光致發光相同的測量面積。在圖9中，實施例二的光致發光和TO模式拉曼信號的比率（比率（PL/TO））為4.50。結果，可以通過以下公式計算4H-SiC中的矽空缺密度：V_Si的密度＝PL/TO×7.29÷4.47＝PL/TO×1.63。 PL/TO比率為所對應之激發光的峰值除以激發光譜中拉曼散射TO模態的峰值(840 nm附近)，由此計算可得單位晶格矽空缺致發光的矽空缺密度(1 PL/TO → 1.630 *10^12/cm^3)。
同樣的方式測試實施例一，其系列中的平均空缺密度最大值為3.26×1E12cm^-3。
圖11為第一實施例的PL/TO比率。以第一實施例為例，選定九個測量點，PL/TO比率如圖所示，而ABCDEFGHI九個測量點的PL/TO比率、矽空缺濃度與電阻率數值如下表：
測量點 PL peak/TO mode 矽空缺濃度 (cm^-3) 電阻率(ohm-cm)
A 0.45 7.34E+11 1E11
B 0.43 7.01E+11 1E9
C 0.5 8.15E+11 1E11
D 0.32 5.22E+11 1E10
E 0.4 6.52E+11 1E11
F 0.64 1.04E+12 1E11
G 0.64 1.04E+12 1E11
H 0.65 1.06E+12 1E11
I 0.49 7.99E+11 1E10
圖12為本申請第三實施例，其直徑為60 mm，圖13為本申請第四實施例，其直徑為120mm，圖12與圖13顯示微管密度（Micro-pipe density，MPD）。圖示中將碳化矽晶片區分成多個方格，方格裡的數字代表微管數量。第三實施例的微管數量為60，除以晶片面積，可以得到微管密度為2.1/cm^2。第四實施例的微管數量為56個，除以晶片面積，可以得到微管密度為0.5/cm^2。
本申請在高純度長晶系統下，利用控制高純度長晶原料之Si/C比例及粒徑分佈，在晶體生長過程中控制長晶溫度及時間，使成長系統中成為富碳(C-rich)環境。在淺能級導電元素稀缺的狀態下，可以於晶體內生成本徵缺陷矽空缺並控制矽空缺濃度，以本徵缺陷做為其主導提升電阻率之機制，以達到半絕緣晶圓之電性範圍。
第五實施例說明利用圖1的成長系統成長6英吋單晶碳化矽塊材。這個單晶碳化矽塊材可以作為第一實施例至第四實施例中所提到的晶體以及晶片的原料。也就是說，第一實施例至第四實施例中所提到的晶體以及晶片可以由本實施例的塊材加工而得，或者是利用與本實施例類似的方式所獲得之塊材加工而得。舉例而言，碳化矽的原料昇華或是氣相碳源及矽源反應後在晶種上沉積並成長成碳化矽塊材。在沉積或生長時間較短時，塊材的厚度可以是10μm、20μm或是30μm，其形狀類似薄膜。隨著沉積或生長時間的增加，塊材的厚度逐漸增加至8mm至3cm之間，並形成大塊的晶體，這個晶體可以是前述實施例中所提到的晶體。進一步地，塊材的厚度可以在10μm至5cm之間，其中薄的稱為薄膜，而厚的被稱為晶體。更進一步地，塊材還可以透過半導體製程加工成晶片(或稱晶圓)。不僅於此，塊材除了可以作為前述實施例的晶片或晶體的原料，亦可以作為碳化矽粉末的原料，這些將在下文中進一步解釋。
在本實施例中，半絕緣單晶碳化矽塊材是藉由PVT法所製備，且生長的製程是在高溫真空感應爐中的石墨坩堝進行。透過這樣的方式能夠得到4H-SiC的單晶。具體而言，所使用之原料為純度99.99%以上的高純度碳化矽粉料，其平均粒度為5至20mm，初始矽/碳比為1，且長晶後重新測量餘料的矽/碳比下降至0.85。以下為製程步驟：首先將碳化矽粉料盛裝於石墨容器內並導入高溫真空感應爐中的相對熱端，再將晶種放置於高溫真空感應爐中的相對冷端，晶種可以是6吋SiC的4H-SiC單晶晶圓或4H-SiC單晶晶錠，且厚度約為500µm。接著將晶種以固持器加以固定，然後進行抽氣，以移除坩堝系統內的空氣及其他雜質。在加熱製程中，加入惰性氣體Ar，並添加氫氣、甲烷以及氨作作為輔助氣體，藉由加熱線圈加熱整個系統，加熱至約2200℃並持續長晶時間長達150小時，且系統長晶時壓力約為5 torr。透過第五實施例的製程條件可產出塊材界面形狀為凸界面的6英吋單晶碳化矽晶球，其晶體生長速率可達300 µm/hr。
應當注意的是，本實施例中所提到的方式僅是製備半絕緣單晶碳化矽塊材的其中一種方式，亦即，本實施例中所提供的半絕緣單晶碳化矽塊材可以由其他類似方式製備。更具體地，半絕緣單晶碳化矽塊材可以藉由物理氣相沉積法(PVD)或化學氣相沉積法(CVD)等類似方法獲得。舉例來說，若改以化學氣相沉積法製備塊材，在相同或相似的參數下，其需要將製程溫度下降至1000℃。或者，若改以物理氣相沉積法製備塊材，在相同或相似的參數下，其沉積速率降為大約10 µm/hr。換句話說，相較於PVT方法，PVD以及CVD等類似的方法在調整對應的參數後，也能夠獲得與第五實施例所述的相同或相似的半絕緣碳化矽塊材。因此，本申請所保護的半絕緣單晶碳化矽塊材不應以PVT法為限，在相同或相似的條件或製程下所獲得之半絕緣單晶碳化矽塊材都應該屬於本申請的範圍。
請參考圖14至17，其分別是本申請的第五實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材的各切片矽空缺濃度。如圖所示，在塊材中較靠近晶種的切片編號為1，最靠近長晶表面的切片編號為13，一共切割13片。以編號1、4、8以及13的切片為例，隨著靠近晶種至靠近長晶表面，矽空缺濃度分別為7.83E+11、7.17E+11、1.08E+12及5.38E+12。其個別的最大強度、半高寬、PL/TO比率與矽空缺濃度如下表：
切片編號 最大強度(G) 半高寬(G) PL peak/TO mode 矽空缺濃度 (cm^-3)
1 12242 5.4283 0.48 7.824E+11
4 11671 6.3965 0.44 7.17E+11
8 16291 5.7617 0.66 1.08E+12
Figure 110101834-A0305-02-0017-1
根據前述實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材，包括單一多形體的單晶，該半絕緣單晶碳化矽塊材內具有矽空缺，其中矽空缺濃度至少大於5E11cm^-3，小於5E13cm^-3。
在一實施例中，根據前述實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材，其厚度大於等於10μm。
在一實施例中，根據前述實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材，其厚度小於等於3cm。
在一實施例中，根據前述實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材，其直徑大於等於90毫米。
在一實施例中，根據前述實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材，其直徑小於等於200毫米。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的半絕緣單晶碳化矽塊材，其電阻率大於1E7 ohm-cm。
在一實施例中，根據前述實施例成長系統所形成的半絕緣單晶碳化矽塊材，其所包括的單一多形體的單晶選自碳化矽的3C，4H，6H和15R多形體，其中4H多形體是目前最優選的。
半絕緣單晶碳化矽塊材除了可以作為第一實施例至第四實施例中所述的晶體以及晶片的原料以外，亦可以作為「螢光微米碳化矽」而應用於生醫領域上。更具體地說，半絕緣單晶碳化矽具有發光的特性而能夠當作追蹤檢測標靶。因此，在下文中將提供一種碳化矽粉末，其可以是由上述實施例中任意一種的塊材、晶體或是晶圓藉由自體撞擊、水刀或鑽石加工等進行成型或細化而得。藉由將碳化矽塊材、晶體或是晶圓粉末化，能夠增加總表面積，以提高發光的效果。
請參考圖18至21。其是本申請第六實施例的半絕緣單晶碳化矽粉末的加工示意圖、餘料的矽空缺濃度、餘料的各切片矽空缺以及波長與發光強度關係示意圖。一般而言，當塊材在進行晶圓切割時，會留下一部分的餘料8，這些餘料8可以用來製作本實施例中的碳化矽粉末9A以及粉末9B。
為了確保粉末的品質穩定，可以在細化之前對餘料8進行EPR分析，如圖19所示，餘料8中主要缺陷為矽空缺，其矽空缺濃度最高為7.07E12 cm^-3。除此之外，還可以將餘料8切割並對不同位置的切片進行矽空缺濃度分析。以圖1的成長系統為例，較靠近晶種的切片編號為1，較靠近長晶表面的切片編號為5，一共切割成5片，亦即圖20橫軸的編號。如圖20所示，切片編號1至切片編號4的矽空缺濃度較為近似，而切片編號5的矽空缺濃度與前述四個切片不同。因此，實際上在製造粉末時，使用編號1至4的切片進行細化，以獲得性質相近的粉末，若使用編號5的粉末進行細化，則可以得到矽空缺濃度更高的粉末，可應用於需要更高強度的光致發光訊號的粉末應用。
接著，本實施例對餘料8分別藉由鑽石切割以及自體撞擊以獲得粉末9A以及粉末9B。粉末9A以及粉末9B的粒徑可以是1 微米至500 微米之間，視實際使用狀況而定，在本實施例中，其具體數值約為30 微米左右。由於加工方式的不同，粉末9A與粉末9B會具有不相同的表面型態。更具體地，由於自體撞擊細化過程中，粉體間相互撞擊移除表面尖銳及粗糙處進而降低粉末尺寸，因此粉末9B較粉末9A表面更為光滑，也就是說，用自體撞擊而得到的粉末9B光散射較小。如圖21所示，當對同樣粒徑大小的粉末9A以及粉末9B進行螢光測試時，粉末9B能夠具有較好的發光強度。另一個自體撞擊粉末發光強度高的原因可能是無水製程下，粉體表面較少水合鍵或氫氧鍵等附著或披覆，影響出光效率。
為了使本申請的技術特徵更加顯而易見，在下文中，將提供一種半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法。所述的製備方法使用半絕緣單晶碳化矽塊材作為原料，以獲得半絕緣單晶碳化矽粉末。進一步地，半絕緣單晶碳化矽粉末具有大於5E11cm^-3的高矽空缺濃度。如此一來，藉由所述製備方法製備出的半絕緣單晶碳化矽粉末就可以應用於生醫領域中。
請參閱圖22，其是本申請的第七實施例的半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法的流程圖。如圖所示，半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法包括：
步驟S1：提供半絕緣單晶碳化矽塊材，其中半絕緣單晶碳化矽塊材具有第一矽空缺濃度，第一矽空缺濃度大於5E11cm^-3。
在一實施例中，步驟S1所使用的半絕緣單晶碳化矽塊材可以是第五實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材。然而，本申請不限於此，在其他實施例中，步驟S1所使用的半絕緣單晶碳化矽塊材也可以是直徑介於90mm以及200mm之間的半絕緣單晶碳化矽塊材。
步驟S2：細化半絕緣單晶碳化矽塊材，以獲得半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，其中半絕緣單晶碳化矽粗顆粒具有第二矽空缺濃度以及第一粒徑，第二矽空缺濃度大於5E11cm^-3，第一粒徑介於50μm至350μm之間。
在一實施例中，步驟S2可以使用四軸破碎機來細化半絕緣單晶碳化矽塊材。更具體地，4.8kg的半絕緣單晶碳化矽塊材在藉由四軸破碎機細化之後，可以得到大約3.66kg的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒。亦即，藉由四軸破碎機細化的轉換效率(輸出的重量/輸入的重量)大約為0.75。
步驟S3：自體撞擊半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，以獲得半絕緣單晶碳化矽粉末，其中半絕緣單晶碳化矽粉末具有第三矽空缺濃度以及第二粒徑，第三矽空缺濃度大於5E11cm^-3，第二粒徑介於1μm至50μm之間。
如第六實施例所述，藉由乾式法(亦即，自體撞擊)所獲得的粉末具有平滑的外觀。因此，相較於藉由濕式法(例如，鑽石線加工)所獲得的粉末，藉由乾式法所獲得的粉末具有較高的矽空缺訊號強度。更具體地，矽空缺訊號強度可以相差1.5倍以上。
除了可以獲得矽空缺訊號強度較高的粉末以外，自體撞擊法還可以減少外來雜質或是磨料的引入。因此，藉由自體撞擊法所獲得的粉末具有較低的雜質含量，使得產品具有較高的純度。
另一方面，自體撞擊法不需要使用水或溶劑作為介質。因此，可以避免在細化製程中因為水或溶劑產生水合鍵或氫氧鍵，導致粉末產生團聚。更 進一步地，相較於需要後續乾燥的濕式法，不需要後續乾燥的自體撞擊法也可以避免在後續乾燥時產生硬聚結，導致粉末產生團聚。
呈上所述，步驟S3可以使用研磨機來細化半絕緣單晶碳化矽粗顆粒。研磨機使用流體化床氣流磨，因此在完全自磨的情況下，可以減少研磨粒磨損以及工具污染。
在一實施例中，步驟S3可以使用500克至1000克之間的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒作為半絕緣單晶碳化矽粉末的原料。舉例而言，作為原料的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的重量可以是500克、600克、700克、800克、1000克或是介於前述數值任意組合的範圍。
在一實施例中，步驟S3可以在小於100℃的溫度下進行。具體來說，在自體撞擊過程中可以藉由輸入冷空氣防止升溫，以避免半絕緣單晶碳化矽粉末因溫度升高而產生團聚或是化學反應。
在一實施例中，步驟S3可以在小於50%的相對溼度下進行。具體來說，在自體撞擊過程中可以藉由控制環境的相對濕度，以避免在細化製程中因為水產生水合鍵或氫氧鍵，導致粉末產生團聚。
在一實施例中，步驟S3的自體撞擊時間可以持續200分鐘至600分鐘。具體來說，粉末的粒徑會隨著自體撞擊的時間呈現曲線變化。當自體撞擊的時間低於200分鐘時，粉末的粒徑仍過於粗大。另一方面，當自體撞擊的時間超過600分鐘後，粉末的粒徑變化率逐漸趨緩。因此，自體撞擊時間在200分鐘至600分鐘時可以具有較高的效率，並可以獲得如預期的粉末粒徑(亦即，5μm)。
請參閱圖23至圖29，其分別是本申請第八實施例的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒以及半絕緣單晶碳化矽粉末的粒徑分析圖。第八實施例是使用第七實施例的製備方法所製備出來的半絕緣單晶碳化矽粉末的實驗結果。更具體地，圖23是作為原料的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的粒徑分析圖。另外，圖24至圖29是根據不同製程參數所獲得的六組半絕緣單晶碳化矽粉末的粒徑分析圖，在下文 中，分別使用「試片1」至「試片6」代表。
在粒徑分析圖中，d(0.1)表示10%的顆粒粒徑小於此數值，且90%的顆粒粒徑大於此數值。d(0.5)表示50%的顆粒粒徑小於此數值，且50%的顆粒粒徑大於此數值。d(0.9)表示90%的顆粒粒徑小於此數值，且10%的顆粒粒徑大於此數值。因此，在本申請中，d(0.5)被用於表示中位數粒徑。
如圖23所示，半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的d(0.5)為345μm。亦即，本實施例使用中位數粒徑為345μm的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒作為自體撞擊的原料。進一步地，本實施例藉由自體撞擊細化中位數粒徑為345μm的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，以獲得試片1至試片6，其分析結果如圖24至圖29以及下表所示：
Figure 110101834-A0305-02-0021-3
如分析結果所示，試片1至試片6在自體撞擊時間為200分鐘至600分鐘之間時，可以具有大約75%的轉換效率，並獲得中位數粒徑在5μm左右的粉末。因此，藉由本申請的第七實施例所揭露的製備方法，可以獲得如第八實施例所示的半絕緣單晶碳化矽粉末。
綜上所述，本申請提供了一種半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其藉由自體撞擊獲得外觀平滑、低雜質含量以及粒徑大小穩定的半絕緣單晶碳化矽粉末，以應用於各種領域中(例如，用作生醫領域的螢光材料)。
雖然圖式中包含了以上描述的元件，但不排除在不違反發明的精神下，使用更多其他的附加元件，以達成更佳的技術效果。此外，雖然實施例中步驟採用指定的順序來執行，但是在不違反發明精神的情況下，熟習此技藝人士可以在達到相同效果的前提下，修改這些步驟間的順序，所以，本申請並不侷限於僅使用如上所述的順序。此外，熟習此技藝人士亦可以將若干步驟整合為一個步驟，或者是除了這些步驟外，循序或平行地執行更多步驟，本申請亦不因此而侷限。
雖然本申請使用以上實施例進行說明，但需要注意的是，這些描述並非用以限縮本申請。相反地，此發明涵蓋了熟習此技藝人士顯而易見的修改與相似設置。所以，申請專利範圍須以最寬廣的方式解釋來包含所有顯而易見的修改與相似設置。
1:晶種 2:坩堝 3:保溫材 4:固持器 5:成長區 6:材料源 7:加熱器 8:餘料 9A:粉末 9B:粉末 S1-S3:步驟
此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施方式及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中： 圖1是本申請用於成長高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的成長系統的示意圖； 圖2是本申請的第一實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的電阻率量測結果； 圖3是本申請的第一實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的微管密度； 圖4是本申請的第一實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的電子順磁共振光譜； 圖5是本申請的第二實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的電阻率量測結果； 圖6是本申請的第二實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的微管密度； 圖7是本申請的第二實施例中的高純度半絕緣單晶碳化矽晶體的矽空缺； 圖8是本申請的第二實施例的碳化矽晶片的矽空缺濃度； 圖9是本申請的第二實施例的電子順磁共振光譜； 圖10是本申請的第二實施例的碳化矽晶片的光致發光光譜； 圖11是本申請的第一實施例的PL/TO比率； 圖12是本申請的第三實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度； 圖13是本申請的第四實施例的高純度半絕緣單晶碳化矽晶片的微管密度； 圖14至17分別是本申請的第五實施例的半絕緣單晶碳化矽塊材的各切片矽空缺濃度； 圖18是本申請的第六實施例的半絕緣單晶碳化矽粉末的加工示意圖； 圖19是本申請的第六實施例的半絕緣單晶碳化矽餘料的矽空缺濃度； 圖20是本申請的第六實施例的半絕緣單晶碳化矽餘料的各切片矽空缺； 圖21是本申請的第六實施例的半絕緣單晶碳化矽粉末的波長與發光強度關係示意圖； 圖22是本申請的第七實施例的半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法的流程圖； 圖23是本申請的第八實施例的半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的粒徑分析圖；以及 圖24-圖29分別是本申請的第八實施例的半絕緣單晶碳化矽粉末的粒徑分析圖。
S1-S3:步驟

Claims (9)

  1. 一種半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其包括：提供一半絕緣單晶碳化矽塊材，其中該半絕緣單晶碳化矽塊材具有一第一矽空缺濃度，該第一矽空缺濃度大於5E11cm^-3；細化該半絕緣單晶碳化矽塊材，以獲得一半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，其中該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒具有一第二矽空缺濃度以及一第一粒徑，該第二矽空缺濃度大於5E11cm^-3，該第一粒徑介於50μm至350μm之間；以及自體撞擊該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒，以獲得一半絕緣單晶碳化矽粉末，其中該半絕緣單晶碳化矽粉末具有一第三矽空缺濃度以及一第二粒徑，該第三矽空缺濃度大於5E11cm^-3，該第二粒徑介於1μm至50μm之間。
  2. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該自體撞擊該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的步驟使用500克至1000克之間的該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒。
  3. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該自體撞擊該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的步驟在小於100℃的溫度下進行。
  4. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該自體撞擊該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的步驟在小於50%的相對溼度下進行。
  5. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該自體撞擊該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的步驟持續200分鐘至600分鐘。
  6. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該自體撞擊該半絕緣單晶碳化矽粗顆粒的步驟使用研磨機。
  7. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該細化該半絕緣單晶碳化矽塊材的步驟使用四軸破碎機。
  8. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該半絕緣單晶碳化矽塊材的直徑大於等於90 mm。
  9. 如請求項1所述之半絕緣單晶碳化矽粉末的製備方法，其中該半絕緣單晶碳化矽塊材的直徑小於等於200 mm。
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