中國粉體網訊 當前碳化硅單晶的制備方法主要有：物理氣相傳輸法（PVT）、頂部籽晶溶液生長法（TSSG）、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）。其中，PVT法具有設備簡單，操作容易控制，設備價格以及運行成本低等優點，成為工業生產所采用的主要方法。
PVT法制備碳化硅晶體技術要點
采用物理氣相傳輸法（PVT）生長碳化硅晶體需要注意的技術要點有：
PVT法生長結構示意圖
（1）長晶溫場內部石墨材料純度要到達要求，石墨件雜質含量要求小于5×10-6，保溫氈雜質含量要求小于10×10-6，其中B和Al元素要求在0.1×10-6以下。
（2）籽晶極性選擇要正確。經驗證在C（0001）面可用于生長4H-SiC晶體，Si（0001）面用于生長6H-SiC晶體。
（3）使用偏軸籽晶生長。因為偏軸籽晶不僅可以改變晶體生長的對稱性，減少晶體中的缺陷。
（4）良好的籽晶粘接工藝。
（5）在長晶周期中保持晶體生長界面穩定性。
碳化硅晶體生長關鍵技術
1.碳化硅粉料摻雜技術
在碳化硅粉料中摻雜適量的Ce元素，可以實現對4H-SiC單一晶型穩定生長的作用。實踐證明，在粉料對Ce元素的摻雜，可以提高碳化硅晶體的生長速率，使晶體生長的更快；可以控制碳化硅的取向，使得晶體生長方向更單一，更規則；抑制晶體中雜質的產生，減少缺陷的生成，更易獲取單一晶型的晶體和高品質的晶體；可以抑制晶體背面的腐蝕并提高晶體的單晶率。
2.軸向與徑向溫場梯度控制技術
軸向溫度梯度主要對晶體生長晶型和長晶效率產生影響，過小的溫度梯度在長晶過程中會導致雜晶的出現，同時會影響氣相物質的運輸速率，導致長晶速率降低。合適的軸向和徑向溫度梯度有助于SiC晶體的快速生長以及保持晶體質量的穩定。
3.基平面位錯（BPD）控制技術
BPD缺陷形成的主要原因是晶體中的剪切應力超過SiC晶體的臨界剪切應力，導致滑移系統的激活。因為BPD垂直于晶體生長方向，所以主要是在晶體生長過程中和后期晶體冷卻過程中產生的。
4.氣相組分比調節控制技術
在晶體生長工藝中，提高生長環境中的碳硅比氣相組分比是實現單一晶型穩定生長的有效措施。因為高的碳硅比可以減少大的臺階聚并，保持籽晶表面生長信息的遺傳，所以可以抑制多型產生。
5.低應力控制技術
在晶體生長過程中，由于應力的存在會導致SiC晶體內部晶面彎曲，導致晶體質量差，甚至晶體開裂，而且大的應力會導致晶片的基平面位錯的增加，這些缺陷會在外延工藝時進入外延層嚴重影響后期器件的性能。
6英寸SiC晶片掃描圖
為了減小晶體內的應力，可以采取幾種方法改進工藝：
調整溫場分布和工藝參數，使SiC單晶生長盡可能在近平衡狀態下生長；
優化坩堝結構形狀，盡量使晶體在無束縛狀態下自由的生長；
籽晶固定方面，改變籽晶固定工藝，降低籽晶與石墨托在升溫過程中的膨脹系數差異，減小4H-SiC單晶內部的應力，通常采用的方法是在籽晶與石墨托之間留有2mm的間隙；
改變晶體退火工藝，使晶體隨爐退火，并調整晶體退火溫度和退火時間，充分釋放晶體內部的應力。
碳化硅長晶技術發展趨勢
展望未來，高品質SiC單晶制備技術將朝著幾個方向發展：
大尺寸化
碳化硅單晶的直徑已經從最初的幾毫米發展到了現在的6英寸、8英寸甚至更大的12英寸。大尺寸碳化硅單晶的制備可以提高生產效率、降低成本，同時也可以滿足大功率器件的需求。
高質量化
高質量的碳化硅單晶是實現高性能器件的關鍵。目前，雖然碳化硅單晶的質量已經有了很大的提高，但是仍然存在一些缺陷，如微管、位錯、雜質。這些缺陷會影響器件的性能和可靠性。
低成本化
碳化硅單晶的制備成本較高，這限制了在一些領域的應用。可以通過優化生長工藝、提高生產效率、降低原料成本等方法來降低碳化硅單晶的制備成本。
智能化
隨著人工智能、大數據等技術的發展，碳化硅長晶技術也將逐漸實現智能化。可以通過傳感器、自動化控制系統等設備對生長過程進行實時監測和控制，提高生長過程的穩定性和可控性。同時，還可以利用大數據分析等技術對生長數據進行分析和優化，提高晶體的質量和生產效率。
高品質碳化硅單晶的制備技術是當前半導體材料研究的熱點之一。隨著科技的不斷進步，碳化硅長晶技術將不斷發展和完善，為碳化硅在高溫、高頻、高功率等領域的應用提供更加堅實的基礎。
來源：
王宏杰等：高品質碳化硅單晶制備技術
楊皓等：碳化硅單晶制備方法及缺陷控制研究進展
（中國粉體網編輯整理/空青）
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