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TWI830039B - 碳化矽晶碇的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種碳化矽晶碇的製造方法，包括：提供包含碳元素以及矽元素的原料以及位於原料上方的晶種於反應器內，其中晶種的第一面朝向原料；加熱反應器以及原料，其中部分原料被氣化後傳輸至晶種的第一面以及晶種的側壁上並形成碳化矽材料於晶種上，以形成包含晶種以及碳化矽材料的成長體，其中成長體沿著晶種的徑向生長，且成長體沿著垂直晶種的第一面的方向上生長；以及冷卻反應器以及原料，以獲得碳化矽晶碇，其中碳化矽晶碇的直徑大於晶種的直徑。

Description

碳化矽晶碇的製造方法
本發明是有關於一種碳化矽晶碇的製造方法，且特別是有關於一種利用晶種製造碳化矽晶碇的方法。
目前，矽晶圓已被廣泛的運用於半導體產業中。許多電子裝置內都包含了以矽晶圓(Silicon wafer)做為材料所生產的矽晶片(Silicon chip)。然而，為了提升晶片的效能。目前許多廠商嘗試以碳化矽晶圓(Silicon carbide wafer)做為材料以生產碳化矽晶片(Silicon carbide chip)。碳化矽晶片具有耐高溫與穩定性高等優點。
一般而言，在製造碳化矽晶圓的過程中，會先提供一個晶種，接著於晶種的表面沉積材料，以形成碳化矽晶碇。形成碳化矽晶碇後，將碳化矽晶碇切片以獲得多個碳化矽晶圓。然而，在製造碳化矽晶碇時，晶種的價格高昂，導致碳化矽晶圓的製造成本居高不下。
本發明提供一種碳化矽晶碇的製造方法，藉由前述製造方法所形成之碳化矽晶碇的直徑大於製程中所使用之晶種的直徑，藉此減少晶種所需的成本。
本發明的至少一實施例提供一種碳化矽晶碇的製造方法，包括：提供包含碳元素以及矽元素的原料以及位於原料上方的晶種於反應器內，其中晶種的第一面朝向原料；加熱反應器以及原料，其中部分原料被氣化後傳輸至晶種的第一面以及晶種的側壁上並形成碳化矽材料於晶種上，以形成包含晶種以及碳化矽材料的成長體，其中成長體沿著晶種的徑向生長，且成長體沿著垂直晶種的第一面的方向上生長；以及冷卻反應器以及原料，以獲得生長完的成長體，其中生長完的成長體為碳化矽晶碇，且碳化矽晶碇的直徑大於晶種的直徑。
100:反應器
102:感應線圈
104:爐體
106:石墨坩堝
108:晶種承載件
200:晶種
202:第一面
204:側壁
210:碳化矽材料
300:原料
GB:成長體
GB’:碳化矽晶碇
GD:方向
H1、V1:距離
RD:徑向
S401、S402、S403:步驟
T:厚度
圖1A至圖3A是依照本發明的一實施例的一種碳化矽晶碇的製造方法的剖面示意圖。
圖1B至圖3B是圖1A至圖3B的晶種、成長體以及碳化矽晶碇的上視示意圖。
圖4是依照本發明的一實施例的一種碳化矽晶碇的製造方法的流程圖。
圖1A至圖3A是依照本發明的一實施例的一種碳化矽晶碇的製造方法的剖面示意圖。圖1B至圖3B是圖1A至圖3B的晶種、成長體以及碳化矽晶碇的上視示意圖。
請參考圖1A與圖1B，反應器100包括感應線圈102、爐體104、石墨坩堝106以及晶種承載件108。石墨坩堝106及晶種承載件108設置於爐體104中。感應線圈102設置於石墨坩堝106外。
提供原料300以及位於原料300上方的晶種200於反應器100內。原料300與晶種200相隔垂直距離V1。
原料300設置於石墨坩堝106中。原料300包含碳元素以及矽元素，原料300例如為碳化矽粉末。晶種200設置於晶種承載件108上。在一些實施例中，晶種200藉由黏著層(未繪出)而固定於晶種承載件108上。晶種200的材料包括碳化矽。舉例來說，晶種200為6H碳化矽或4H碳化矽。晶種200的第一面202朝向原料300，且晶種200直徑為D1。在一些實施例中，晶種200的直徑D1為25毫米至250毫米。
在一些實施例中，晶種200的第一面202具有小於2nm的表面粗糙度(Ra)，較佳是小於0.5nm的表面粗糙度(Ra)，更佳是小於0.3nm的表面粗糙度(Ra)。在一些實施例中，晶種200具有小於2μm的平整度(TTV)、小於30μm的翹曲度(Warp)以及小於±20μm的彎曲(Bow)。在一些實施例中，晶種200的第一面202為 碳化矽的基面(0001)。
在一些實施例中，晶種200的厚度T大於0.2毫米，藉此提升晶種200的側壁204的面積。晶種200的側壁204為經研磨的平滑表面，藉此有利於使碳化矽在側壁204上生長。在本實施例中，晶種200的側壁204與反應器100之內壁的橫向距離H1為50毫米至150毫米，因此，氣體在晶種200的側壁204與反應器100的內壁之間有足夠的空間進行傳輸，且能降低碳化矽在側壁204上生長後接觸反應器100的風險。
請參考圖2A與圖2B，藉由物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport，PVT)形成碳化矽材料210於晶種200上。在本實施例中，以感應線圈102加熱反應器100以及原料300，以形成碳化矽材料210於晶種200的第一面202上以及晶種200的側壁204上。碳化矽材料210沿著垂直晶種200的側壁204的方向RD上生長，且碳化矽材料210沿著垂直晶種200的第一面202的方向GD上生長。方向RD為晶種200的徑向(radial direction)。
在本實施例中，當感應線圈102加熱石墨坩堝106底部的原料300至高溫(例如高於1900℃)，原料300會昇華，並在溫度梯度的驅動下傳輸至晶種200的第一面202以及晶種200的側壁204上並形成碳化矽材料210於晶種200上，以形成包含晶種200以及碳化矽材料210的成長體GB。成長體GB沿著晶種200的徑向(方向RD)生長，且成長體GB沿著垂直晶種200的第一面202的方向GD上生長。
在成長體GB(或碳化矽材料210)的生長過程中，在晶種200(或成長體GB)的徑向RD上，成長體GB(或碳化矽材料210)具有1℃/cm至30℃/cm的溫度梯度(也可以說是在徑向RD上整個熱場具有1℃/cm至30℃/cm的溫度梯度)，藉此有助於使成長體GB(或碳化矽材料210)沿著方向RD生長。
在本實施例中，在成長體GB(或碳化矽材料210)的生長過程中，在方向GD上，成長體GB(或碳化矽材料210)亦具有溫度梯度，藉此使成長體GB(或碳化矽材料210)沿著方向GD生長。
在一些實施例中，成長體GB(或碳化矽材料210)在方向RD上的生長速度小於成長體GB(或碳化矽材料210)在方向GD上的生長速度。
請參考圖3A與圖3B，在成長體GB生長至所需的尺寸後，冷卻反應器100以及原料300，以獲得生長完的成長體。生長完的成長體為碳化矽晶碇GB’，且碳化矽晶碇GB’包括生長完的碳化矽材料210以及晶種200。
碳化矽晶碇GB’的直徑D2大於晶種200的直徑D1。D1：D2為1：8至7.5：8。由前述製程所得之碳化矽晶碇GB’的貫穿螺旋差排(TSD)的密度例如小於100個/平方公分。
圖4是依照本發明的一實施例的一種碳化矽晶碇的製造方法的流程圖。
請參考圖4，在步驟S401，提供包含碳元素以及矽元素的原料以及位於原料上方的晶種於反應器內，其中晶種的第一面 朝向原料。
在步驟S402，加熱反應器以及原料，以形成碳化矽材料於晶種上。
在步驟S403，冷卻反應器以及原料，以獲得碳化矽晶碇，碳化矽晶碇的直徑大於晶種的直徑。
以下列舉數個實驗來驗證本發明之功效，但實驗內容並非用以限制本發明的範圍。
<製備例1>
利用物理氣相傳輸法製造碳化矽晶碇。
在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有大於31℃/cm的溫度梯度。由於前述溫度梯度太大，碳化矽材料不容易沿著晶種的徑向生長，導致所使用之晶種的直徑與所得之碳化矽晶碇的直徑的比例約為1：1。
在此情形下，所得之碳化矽晶碇的品質不佳，且具有許多缺陷。
<製備例2>
利用物理氣相傳輸法製造碳化矽晶碇，製造方法可參考圖1A至圖3A以及圖1A至圖3B。
在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有6℃/cm至30℃/cm(較佳為7℃/cm至18℃/cm，更佳為7℃/cm至10℃/cm)的溫度梯度。 基於前述溫度梯度，碳化矽材料可以沿著晶種的徑向生長，導致所使用之晶種的直徑與所得之碳化矽晶碇的直徑的比例約為7.5：8。
在此情形下，所得之碳化矽晶碇的品質相較於<製備例1>所得之碳化矽晶碇的品質佳，且<製備例2>所得之碳化矽晶碇的缺陷比<製備例1>所得之碳化矽晶碇的缺陷減少約30%。
<製備例3>
利用物理氣相傳輸法製造碳化矽晶碇，製造方法可參考圖1A至圖3A以及圖1A至圖3B。
在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有5℃/cm至18℃/cm(較佳為6℃/cm至16℃/cm，更佳為6℃/cm至7℃/cm)的溫度梯度。基於前述溫度梯度，碳化矽材料可以沿著晶種的徑向生長，導致所使用之晶種的直徑與所得之碳化矽晶碇的直徑的比例約為6：8。
在此情形下，所得之碳化矽晶碇的品質相較於<製備例1>所得之碳化矽晶碇的品質佳，且<製備例3>所得之碳化矽晶碇的缺陷比<製備例1>所得之碳化矽晶碇的缺陷減少約40%。
<製備例4>
利用物理氣相傳輸法製造碳化矽晶碇，製造方法可參考圖1A至圖3A以及圖1A至圖3B。
在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有3℃/cm至16℃/cm(較佳 為3℃/cm至14℃/cm，更佳為5℃/cm至6℃/cm)的溫度梯度。基於前述溫度梯度，碳化矽材料可以沿著晶種的徑向生長，導致所使用之晶種的直徑與所得之碳化矽晶碇的直徑的比例約為4：8。
在此情形下，所得之碳化矽晶碇的品質相較於<製備例1>所得之碳化矽晶碇的品質佳，且<製備例4>所得之碳化矽晶碇的缺陷比<製備例1>所得之碳化矽晶碇的缺陷減少約50%。
<製備例5>
利用物理氣相傳輸法製造碳化矽晶碇，製造方法可參考圖1A至圖3A以及圖1A至圖3B。
在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有3℃/cm至14℃/cm(較佳為3℃/cm至10℃/cm，更佳為4℃/cm至5℃/cm)的溫度梯度。基於前述溫度梯度，碳化矽材料可以沿著晶種的徑向生長，導致所使用之晶種的直徑與所得之碳化矽晶碇的直徑的比例約為3：8。
在此情形下，所得之碳化矽晶碇的品質相較於<製備例1>所得之碳化矽晶碇的品質佳，且<製備例5>所得之碳化矽晶碇的缺陷比<製備例1>所得之碳化矽晶碇的缺陷減少約60%。
<製備例6>
利用物理氣相傳輸法製造碳化矽晶碇，製造方法可參考圖1A至圖3A以及圖1A至圖3B。
在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有3℃/cm至12℃/cm(較佳 為3℃/cm至9℃/cm，更佳為3℃/cm至4℃/cm)的溫度梯度。基於前述溫度梯度，碳化矽材料可以沿著晶種的徑向生長，導致所使用之晶種的直徑與所得之碳化矽晶碇的直徑的比例約為2：8。
在此情形下，所得之碳化矽晶碇的品質相較於<製備例1>所得之碳化矽晶碇的品質佳，且<製備例6>所得之碳化矽晶碇的缺陷比<製備例1>所得之碳化矽晶碇的缺陷減少約70%。
<製備例7>
利用物理氣相傳輸法製造碳化矽晶碇，製造方法可參考圖1A至圖3A以及圖1A至圖3B。
在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有1℃/cm至10℃/cm(較佳為3℃/cm至8℃/cm，更佳為2℃/cm至3℃/cm)的溫度梯度。基於前述溫度梯度，碳化矽材料可以沿著晶種的徑向生長，導致所使用之晶種的直徑與所得之碳化矽晶碇的直徑的比例約為3：8。
在此情形下，所得之碳化矽晶碇的品質相較於<製備例1>所得之碳化矽晶碇的品質佳，且<製備例7>所得之碳化矽晶碇的缺陷比<製備例1>所得之碳化矽晶碇的缺陷減少約80%。
基於製備例1至製備例7的結果如下表1所示。由表1可以得知在成長體(或碳化矽材料)的生長過程中，在晶種(或成長體)的徑向上，成長體(或碳化矽材料)具有小於30℃/cm的溫度梯度有助於形成直徑較晶種還大的碳化矽晶碇。由於碳化矽晶碇的直徑大於晶種的直徑，不需使用大尺寸的晶種就可以獲得大尺寸 的碳化矽晶碇，藉此降低了碳化矽晶碇的製造成本。
Figure 110127513-A0305-02-0012-2
S401、S402、S403:步驟

Claims (7)

  1. 一種碳化矽晶碇的製造方法，包括：研磨一晶種的側壁；提供包含碳元素以及矽元素的一原料以及位於該原料上方的該晶種於一反應器內，其中該晶種的一第一面朝向該原料，其中該晶種的該側壁與該反應器的內壁的橫向距離為50毫米至150毫米；加熱該反應器以及該原料，其中部分該原料被氣化後傳輸至該晶種的該第一面以及該晶種的該側壁上並形成碳化矽材料於該晶種上，以形成包含該晶種以及該碳化矽材料的一成長體，其中在該成長體的生長過程中，在該成長體的徑向上，該成長體具有3℃/cm至5℃/cm的溫度梯度，該成長體沿著該晶種的徑向生長，且該成長體沿著垂直該晶種的該第一面的方向上生長；以及冷卻該反應器以及該原料，以獲得生長完的該成長體，其中生長完的該成長體為一碳化矽晶碇，且該碳化矽晶碇的直徑大於該晶種的直徑。
  2. 如請求項1所述的碳化矽晶碇的製造方法，其中該晶種的直徑為D1，該碳化矽晶碇的直徑為D2，D1：D2為1：8至7.5：8。
  3. 如請求項1所述的碳化矽晶碇的製造方法，其中該晶種的厚度大於0.2毫米。
  4. 如請求項1所述的碳化矽晶碇的製造方法，其中該晶種的直徑為25毫米至250毫米。
  5. 如請求項1所述的碳化矽晶碇的製造方法，其中該晶種的該第一面為碳化矽的基面(0001)。
  6. 如請求項1所述的碳化矽晶碇的製造方法，其中該碳化矽晶碇的貫穿螺旋差排的密度小於100個/平方公分。
  7. 一種碳化矽晶碇的製造方法，包括：研磨一晶種的側壁；提供包含碳元素以及矽元素的一原料以及位於該原料上方的該晶種於一反應器內，其中該晶種的一第一面朝向該原料，其中該晶種的該側壁與該反應器的內壁的橫向距離為50毫米至150毫米；加熱該反應器以及該原料，其中部分該原料被氣化後傳輸至該晶種的該第一面以及該晶種的該側壁上並形成碳化矽材料於該晶種上，以形成包含該晶種以及該碳化矽材料的一成長體，其中在該成長體的生長過程中，在該成長體的徑向上，該成長體具有3℃/cm至9℃/cm的溫度梯度，該成長體沿著該晶種的徑向生長，且該成長體沿著垂直該晶種的該第一面的方向上生長；以及冷卻該反應器以及該原料，以獲得生長完的該成長體，其中生長完的該成長體為一碳化矽晶碇，且該碳化矽晶碇的直徑大於該晶種的直徑。
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