碳化硅晶碇的制造方法与流程

1.本发明涉及一种碳化硅晶碇的制造方法，尤其涉及一种利用晶种制造碳化硅晶碇的方法。


背景技术：

2.目前，硅晶片已被广泛的运用于半导体产业中。许多电子装置内都包含了以硅晶片(silicon wafer)作为材料所生产的硅芯片(silicon chip)。然而，为了提升芯片的效能。目前许多厂商尝试以碳化硅晶片(silicon carbide wafer)作为材料以生产碳化硅芯片(silicon carbide chip)。碳化硅芯片具有耐高温与稳定性高等优点。
3.一般而言，在制造碳化硅晶片的过程中，会先提供一个晶种，接着于晶种的表面沉积材料，以形成碳化硅晶碇。形成碳化硅晶碇后，将碳化硅晶碇切片以获得多个碳化硅晶片。然而，在制造碳化硅晶碇时，晶种的价格高昂，导致碳化硅晶片的制造成本居高不下。


技术实现要素：

4.本发明提供一种碳化硅晶碇的制造方法，通过前述制造方法所形成的碳化硅晶碇的直径大于工艺中所使用的晶种的直径，藉此减少晶种所需的成本。
5.本发明的至少一实施例提供一种碳化硅晶碇的制造方法，包括：提供包含碳元素以及硅元素的原料以及位于原料上方的晶种于反应器内，其中晶种的第一面朝向原料；加热反应器以及原料，其中部分原料被气化后传输至晶种的第一面以及晶种的侧壁上并形成碳化硅材料于晶种上，以形成包含晶种以及碳化硅材料的成长体，其中成长体沿着晶种的径向生长，且成长体沿着垂直晶种的第一面的方向上生长；以及冷却反应器以及原料，以获得生长完的成长体，其中生长完的成长体为碳化硅晶碇，且碳化硅晶碇的直径大于晶种的直径。
附图说明
6.图1a至图3a是依照本发明的一实施例的一种碳化硅晶碇的制造方法的剖面示意图；
7.图1b至图3b是图1a至图3b的晶种、成长体以及碳化硅晶碇的上视示意图；
8.图4是依照本发明的一实施例的一种碳化硅晶碇的制造方法的流程图。
9.附图标记说明
10.100:反应器
11.102:感应线圈
12.104:炉体
13.106:石墨坩埚
14.108:晶种承载件
15.200:晶种
16.202:第一面
17.204:侧壁
18.210:碳化硅材料
19.300:原料
20.gb:成长体
21.gb’:碳化硅晶碇
22.gd:方向
23.h1、v1:距离
24.rd:径向
25.s401、s402、s403:步骤
26.t:厚度
具体实施方式
27.图1a至图3a是依照本发明的一实施例的一种碳化硅晶碇的制造方法的剖面示意图。图1b至图3b是图1a至图3b的晶种、成长体以及碳化硅晶碇的上视示意图。
28.请参考图1a与图1b，反应器100包括感应线圈102、炉体104、石墨坩埚106以及晶种承载件108。石墨坩埚106及晶种承载件108设置于炉体104中。感应线圈102设置于石墨坩埚106外。
29.提供原料300以及位于原料300上方的晶种200于反应器100内。原料300与晶种200相隔垂直距离v1。
30.原料300设置于石墨坩埚106中。原料300包含碳元素以及硅元素，原料300例如为碳化硅粉末。晶种200设置于晶种承载件108上。在一些实施例中，晶种200通过黏着层(未绘出)而固定于晶种承载件108上。晶种200的材料包括碳化硅。举例来说，晶种200为6h碳化硅或4h碳化硅。晶种200的第一面202朝向原料300，且晶种200直径为d1。在一些实施例中，晶种200的直径d1为25毫米至250毫米。
31.在一些实施例中，晶种200的第一面202具有小于2nm的表面粗糙度(ra)，较佳是小于0.5nm的表面粗糙度(ra)，更佳是小于0.3nm的表面粗糙度(ra)。在一些实施例中，晶种200具有小于2μm的平整度(ttv)、小于30μm的翘曲度(warp)以及小于
±
20μm的弯曲(bow)。在一些实施例中，晶种200的第一面202为碳化硅的基面(0001)。
32.在一些实施例中，晶种200的厚度t大于0.2毫米，藉此提升晶种200的侧壁204的面积。晶种200的侧壁204为经研磨的平滑表面，藉此有利于使碳化硅在侧壁204上生长。在本实施例中，晶种200的侧壁204与反应器100的内壁的横向距离h1为50毫米至150毫米，因此，气体在晶种200的侧壁204与反应器100的内壁之间有足够的空间进行传输，且能降低碳化硅在侧壁204上生长后接触反应器100的风险。
33.请参考图2a与图2b，通过物理气相传输法(physical vapor transport，pvt)形成碳化硅材料210于晶种200上。在本实施例中，以感应线圈102加热反应器100以及原料300，以形成碳化硅材料210于晶种200的第一面202上以及晶种200的侧壁204上。碳化硅材料210沿着垂直晶种200的侧壁204的方向rd上生长，且碳化硅材料210沿着垂直晶种200的第一面202的方向gd上生长。方向rd为晶种200的径向(radial direction)。
34.在本实施例中，当感应线圈102加热石墨坩埚106底部的原料300至高温(例如高于1900℃)，原料300会升华，并在温度梯度的驱动下传输至晶种200的第一面202以及晶种200的侧壁204上并形成碳化硅材料210于晶种200上，以形成包含晶种200以及碳化硅材料210的成长体gb。成长体gb沿着晶种200的径向(方向rd)生长，且成长体gb沿着垂直晶种200的第一面202的方向gd上生长。
35.在成长体gb(或碳化硅材料210)的生长过程中，在晶种200(或成长体gb)的径向rd上，成长体gb(或碳化硅材料210)具有1℃/cm至30℃/cm的温度梯度(也可以说是在径向rd上整个热场具有1℃/cm至30℃/cm的温度梯度)，藉此有助于使成长体gb(或碳化硅材料210)沿着方向rd生长。
36.在本实施例中，在成长体gb(或碳化硅材料210)的生长过程中，在方向gd上，成长体gb(或碳化硅材料210)亦具有温度梯度，藉此使成长体gb(或碳化硅材料210)沿着方向gd生长。
37.在一些实施例中，成长体gb(或碳化硅材料210)在方向rd上的生长速度小于成长体gb(或碳化硅材料210)在方向gd上的生长速度。
38.请参考图3a与图3b，在成长体gb生长至所需的尺寸后，冷却反应器100以及原料300，以获得生长完的成长体。生长完的成长体为碳化硅晶碇gb’，且碳化硅晶碇gb’包括生长完的碳化硅材料210以及晶种200。
39.碳化硅晶碇gb’的直径d2大于晶种200的直径d1。d1:d2为1:8至7.5:8。由前述工艺所得的碳化硅晶碇gb’的贯穿螺旋差排(tsd)的密度例如小于100个/平方厘米。
40.图4是依照本发明的一实施例的一种碳化硅晶碇的制造方法的流程图。
41.请参考图4，在步骤s401，提供包含碳元素以及硅元素的原料以及位于原料上方的晶种于反应器内，其中晶种的第一面朝向原料。
42.在步骤s402，加热反应器以及原料，以形成碳化硅材料于晶种上。
43.在步骤s403，冷却反应器以及原料，以获得碳化硅晶碇，碳化硅晶碇的直径大于晶种的直径。
44.以下列举数个实验来验证本发明的功效，但实验内容并非用以限制本发明的范围。
45.《制备例1》
46.利用物理气相传输法制造碳化硅晶碇。
47.在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有大于31℃/cm的温度梯度。由于前述温度梯度太大，碳化硅材料不容易沿着晶种的径向生长，导致所使用的晶种的直径与所得的碳化硅晶碇的直径的比例约为1:1。
48.在此情形下，所得的碳化硅晶碇的品质不佳，且具有许多缺陷。
49.《制备例2》
50.利用物理气相传输法制造碳化硅晶碇，制造方法可参考图1a至图3a以及图1a至图3b。
51.在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有6℃/cm至30℃/cm(较佳为7℃/cm至18℃/cm，更佳为7℃/cm至10℃/cm)的温度梯度。基于前述温度梯度，碳化硅材料可以沿着晶种的径向生长，导致所使用的晶种的
直径与所得的碳化硅晶碇的直径的比例约为7.5:8。
52.在此情形下，所得的碳化硅晶碇的品质相较于《制备例1》所得的碳化硅晶碇的品质佳，且《制备例2》所得的碳化硅晶碇的缺陷比《制备例1》所得的碳化硅晶碇的缺陷减少约30％。
53.《制备例3》
54.利用物理气相传输法制造碳化硅晶碇，制造方法可参考图1a至图3a以及图1a至图3b。
55.在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有5℃/cm至18℃/cm(较佳为6℃/cm至16℃/cm，更佳为6℃/cm至7℃/cm)的温度梯度。基于前述温度梯度，碳化硅材料可以沿着晶种的径向生长，导致所使用的晶种的直径与所得的碳化硅晶碇的直径的比例约为6:8。
56.在此情形下，所得的碳化硅晶碇的品质相较于《制备例1》所得的碳化硅晶碇的品质佳，且《制备例3》所得的碳化硅晶碇的缺陷比《制备例1》所得的碳化硅晶碇的缺陷减少约40％。
57.《制备例4》
58.利用物理气相传输法制造碳化硅晶碇，制造方法可参考图1a至图3a以及图1a至图3b。
59.在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有3℃/cm至16℃/cm(较佳为3℃/cm至14℃/cm，更佳为5℃/cm至6℃/cm)的温度梯度。基于前述温度梯度，碳化硅材料可以沿着晶种的径向生长，导致所使用的晶种的直径与所得的碳化硅晶碇的直径的比例约为4:8。
60.在此情形下，所得的碳化硅晶碇的品质相较于《制备例1》所得的碳化硅晶碇的品质佳，且《制备例4》所得的碳化硅晶碇的缺陷比《制备例1》所得的碳化硅晶碇的缺陷减少约50％。
61.《制备例5》
62.利用物理气相传输法制造碳化硅晶碇，制造方法可参考图1a至图3a以及图1a至图3b。
63.在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有3℃/cm至14℃/cm(较佳为3℃/cm至10℃/cm，更佳为4℃/cm至5℃/cm)的温度梯度。基于前述温度梯度，碳化硅材料可以沿着晶种的径向生长，导致所使用的晶种的直径与所得的碳化硅晶碇的直径的比例约为3:8。
64.在此情形下，所得的碳化硅晶碇的品质相较于《制备例1》所得的碳化硅晶碇的品质佳，且《制备例5》所得的碳化硅晶碇的缺陷比《制备例1》所得的碳化硅晶碇的缺陷减少约60％。
65.《制备例6》
66.利用物理气相传输法制造碳化硅晶碇，制造方法可参考图1a至图3a以及图1a至图3b。
67.在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有3℃/cm至12℃/cm(较佳为3℃/cm至9℃/cm，更佳为3℃/cm至4℃/cm)的温
度梯度。基于前述温度梯度，碳化硅材料可以沿着晶种的径向生长，导致所使用的晶种的直径与所得的碳化硅晶碇的直径的比例约为2:8。
68.在此情形下，所得的碳化硅晶碇的品质相较于《制备例1》所得的碳化硅晶碇的品质佳，且《制备例6》所得的碳化硅晶碇的缺陷比《制备例1》所得的碳化硅晶碇的缺陷减少约70％。
69.《制备例7》
70.利用物理气相传输法制造碳化硅晶碇，制造方法可参考图1a至图3a以及图1a至图3b。
71.在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有1℃/cm至10℃/cm(较佳为3℃/cm至8℃/cm，更佳为2℃/cm至3℃/cm)的温度梯度。基于前述温度梯度，碳化硅材料可以沿着晶种的径向生长，导致所使用的晶种的直径与所得的碳化硅晶碇的直径的比例约为3:8。
72.在此情形下，所得的碳化硅晶碇的品质相较于《制备例1》所得的碳化硅晶碇的品质佳，且《制备例7》所得的碳化硅晶碇的缺陷比《制备例1》所得的碳化硅晶碇的缺陷减少约80％。
73.基于制备例1至制备例7的结果如下表1所示。由表1可以得知在成长体(或碳化硅材料)的生长过程中，在晶种(或成长体)的径向上，成长体(或碳化硅材料)具有小于30℃/cm的温度梯度有助于形成直径较晶肿还大的碳化硅晶碇。由于碳化硅晶碇的直径大于晶种的直径，不需使用大尺寸的晶种就可以获得大尺寸的碳化硅晶碇，藉此降低了碳化硅晶碇的制造成本。
74.表1
[0075][0076]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。