中國(guó)粉體網(wǎng)訊 目前，主流的碳化硅長(zhǎng)晶技術(shù)主要包括物理氣相沉積法（PVT）、液相生長(zhǎng)法（LPE）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）。
物理氣相沉積法（PVT）
PVT法生長(zhǎng)SiC單晶涉及許多復(fù)雜的過(guò)程，其工作原理是通過(guò)感應(yīng)線圈將坩堝加熱到2000-2400℃，在坩堝內(nèi)建立一個(gè)自下而上遞減的溫度梯度，促進(jìn)SiC粉末的升華，然后SiC轉(zhuǎn)移到籽晶上，通過(guò)沉積形成單晶。
PVT法SiC單晶生長(zhǎng)裝置結(jié)構(gòu)圖
優(yōu)點(diǎn)：PVT法生長(zhǎng)設(shè)備要求低，生長(zhǎng)過(guò)程簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，技術(shù)發(fā)展較為成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)8英寸襯底的大量量產(chǎn)。
缺點(diǎn)：PVT法位錯(cuò)密度仍然較高，這對(duì)器件的性能和壽命有非常不利的影響；其次還存在擴(kuò)徑難度大、成品率低、成本高等局限性。
技術(shù)難點(diǎn)：
1）晶型控制難度大。在PVT法生長(zhǎng)SiC單晶過(guò)程中，容易產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致多晶夾雜。
2）溫度精度調(diào)控挑戰(zhàn)大。其在大尺寸晶體生長(zhǎng)時(shí)，爐內(nèi)及生長(zhǎng)界面溫度控制難度劇增，嚴(yán)重影響質(zhì)量。國(guó)內(nèi)廠商例如科友半導(dǎo)體、優(yōu)晶光電等也在電阻加熱生長(zhǎng)SiC單晶方面做了大量研究并取得了一定的進(jìn)展。
3）氣體輸運(yùn)與反應(yīng)優(yōu)化需求迫切。PVT法高度依賴(lài)高溫氣體輸運(yùn)與反應(yīng)過(guò)程。優(yōu)化氣體流動(dòng)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，以提高生長(zhǎng)效率和減少雜質(zhì)摻入，是亟待解決的核心問(wèn)題。
高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）
高溫氣源法又稱(chēng)為高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）法。HTCVD法是對(duì)傳統(tǒng)CVD技術(shù)的一種改進(jìn)，它利用硅烷（SiH4）和碳?xì)浠衔铮ㄈ鏑2H4、C3H8）作為硅源和碳源，在2100~2300℃的高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成SiC并沉積在籽晶上形成單晶。
優(yōu)點(diǎn)：HTCVD法有晶體質(zhì)量高、長(zhǎng)晶速度快、可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)加料等優(yōu)點(diǎn)。另外，該法生長(zhǎng)SiC晶體的速率要比其他方法更快。
缺點(diǎn)：由于生長(zhǎng)設(shè)備和高純氣體價(jià)格不菲，導(dǎo)致該方法生產(chǎn)成本較高，商業(yè)化進(jìn)程緩慢。目前主要用來(lái)制備半絕緣型SiC襯底。
技術(shù)難點(diǎn)：
1）氣源分解速度不穩(wěn)定（過(guò)快或過(guò)慢），易導(dǎo)致設(shè)備進(jìn)氣口堵塞，這使得HTCVD法生長(zhǎng)SiC單晶設(shè)備的穩(wěn)定性較差；
2）對(duì)于HTCVD法的相關(guān)研究不充分，工藝尚不成熟，依然處于研發(fā)階段。
據(jù)資料顯示，日本電裝（Denso）公司于2009年成功使用HTCVD法生產(chǎn)出了低缺陷密度的SiC晶錠，并于2023年對(duì)外宣布可以通過(guò)HTCVD法量產(chǎn)8英寸的SiC單晶。國(guó)內(nèi)企業(yè)超芯星于2019年10月全國(guó)首推出大尺寸擴(kuò)徑碳化硅單晶（163mm約6.5英寸）；2020年，超芯星推出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)套HTCVD碳化硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備。
液相法（LPE）
液相法常用的是頂部籽晶溶液生長(zhǎng)法（TSSG），生長(zhǎng)溫度通常在2073K左右，比PTV法的生長(zhǎng)溫度低。在生長(zhǎng)過(guò)程中，把籽晶固定在吊桿上，通過(guò)對(duì)石墨坩堝中含有Si的助熔劑進(jìn)行加熱使之成為熔融態(tài)，而石墨坩堝則為晶體生長(zhǎng)提供C源，溶液隨著坩堝內(nèi)部的對(duì)流流向籽晶方向，傳輸?shù)阶丫П砻孢M(jìn)行SiC晶體的生長(zhǎng)。
液相法生長(zhǎng)SiC晶體示意圖
優(yōu)點(diǎn)：位錯(cuò)密度低，長(zhǎng)晶速率快，結(jié)晶質(zhì)量高，摻雜可控性強(qiáng)。
缺點(diǎn)：生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度梯度難以精確調(diào)控、生長(zhǎng)速率與結(jié)晶質(zhì)量不平衡、晶體表面形貌粗糙以及溶劑夾雜等問(wèn)題仍然限制了該方法的快速發(fā)展。
技術(shù)難點(diǎn)：
1）助溶劑的比例調(diào)控（充分考慮溶C的促進(jìn)作用，排除雜質(zhì)影響發(fā)前提下促使C濃度更高，驅(qū)動(dòng)著長(zhǎng)晶進(jìn)行）；
2）溫場(chǎng)控制（溫場(chǎng)的材料依賴(lài)于進(jìn)口，成本居高不下）溫度梯度的穩(wěn)定性和對(duì)稱(chēng)性；
3）籽晶系統(tǒng)需進(jìn)行高精度控制，確保生長(zhǎng)過(guò)程穩(wěn)定。
近年來(lái)，日美等高校與公司均開(kāi)展了大量SiC晶體液相法生長(zhǎng)的研究，日本的名古屋大學(xué)、東京大學(xué)和產(chǎn)綜研等科研院所已經(jīng)開(kāi)展了較為成熟的液相法研究，已經(jīng)可以制備出4英寸或6英寸的SiC單晶。中國(guó)科學(xué)院物理所的陳小龍團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次生長(zhǎng)出了直徑2-4英寸、厚度4-10mm、單一晶型的3C-SiC單晶。2023年天岳先進(jìn)采用液相法制備出了低缺陷的8英寸晶體；晶格領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了液相法碳化硅生長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成果轉(zhuǎn)化落地。
來(lái)源：
楊皓等：碳化硅單晶制備方法及缺陷控制研究進(jìn)展
粉體網(wǎng)：液相法碳化硅單晶生長(zhǎng)技術(shù)研究進(jìn)展綜述
顧鵬等：頂部籽晶溶液法生長(zhǎng)碳化硅單晶及其關(guān)鍵問(wèn)題研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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