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目前碳化硅单晶的制备方法主要有:物理气相传输法(PVT);顶部籽晶溶液生长法(TSSG);高温化学气相沉积法(HT-CVD)。其中TSSG法生长晶体尺寸较小目前仅用于实验室生长,商业化的技术路线主要是PVT和HT-CVD,与HT-CVD法相比,采用PVT法生长的SiC单晶所需要的设备简单,操作容易控制,设备价格以及运行成本低等优点成为工业生产所采用的主要方法。

与传统的半导体材料诸如Ge、Si、GaAs、InP可以用籽晶从熔体中生长晶体不同,常规压力下不存在化学计量比的SiC,所以工艺上在合理的系统压力下是不可能采用同成份熔体生长方法生长SiC晶体的。但SiC会在一个很高的温度,大概1800-2000℃下升华,这是物理气相传输法(PVT)中原料供应的关键物理过程。相图显示,当温度达到2800℃以上时,在Si熔体中可以溶解不超过19%的碳,液相(溶液)生长法(TSSG)正是利用了这一现象。

Si-C二元系相图

PVT法生长碳化硅的热场原理如下图所示,该方法主要包含三个步骤:SiC源的升华、升华物质的运输、表面反应和结晶,该过程类似锅盖上的水蒸气凝结过程。在准密闭的坩埚系统采用感应或电阻加热,将作为生长源的固态混合物置于温度较高的坩埚底部,籽晶固定在温度较低的坩埚顶部。在低压高温下,生长源升华且分解产生气态物质,生长源与籽晶之间存在温度梯度,因而会形成的压力梯度,这些气态物质会由此被输运到低温的籽晶位置,形成过饱和,籽晶开始长大。

PVT法热场结构图


HTCVD方法的热场结构如下图所示,该方法中SiC晶锭生长在一个垂直结构的石墨坩埚中进行,其中前气体由下向上输运,经过一段加热区后到达放置在顶端的籽晶夹具处,前体气体采用经过稀释的SiH4和C2H4、C3H8这样的碳氢化合物。在加热区域内部前体气体完全分解并发生着数种反应,由于气相中的高度过饱和,结果就是通过均匀相成核形成Si和SiC的团簇,这些团簇充当了在籽晶上生长SiC晶锭过程中实际上的源。

HTCVD热场示意图

下图展示了TSSG法的热场结构图,一个石墨坩埚中充满Si基熔体,籽晶放置在与熔体表面接触处,籽晶的温度略低于熔体的温度,以此提供生长的驱动力,该方法存在若干难点:1、在大气压下,并不存在化学计量比比的液相SiC,并且即使在2800℃的高温下,Si熔体中C的溶解度仅有19%,在这样高的温度下,由于Si很高的蒸汽压,Si的蒸发会很显著,使得晶体持续生长几乎不可能,此外Si熔体/气体会与热场的石墨材料发生显著反应,也成为长时间生长的另外一个挑战。为解决这些问题,目前主要有高压溶液生长法和基于参加金属溶剂的溶液生长法。

TSSG法热场示意

碳化硅晶体生长方法对比

物理气相传输

(PVT)

优点

设备成本低,结构简单

技术成熟,目前主流的晶体生长方法

耗材成本低

缺点

生长速率慢

缺陷较难控制

长晶过程中可监控生长参数少

高温化学气相沉积(HTCVD)

优点

缺陷少

纯度高

掺杂方便

缺点

设备昂贵

反应缓慢

耗材成本高

原料成本高

生长过程中进气口、排气口易堵塞,设备稳定性低

可监控生长参数较少

顶部籽晶溶液生长法(TSSG)

优点

生长成本低

缺陷密度低

比较适合P型晶体生长

缺点

生长缓慢

对材料要求高

金属杂质难以控制

生长晶体尺寸小,目前主要应用在实验研究

各种碳化硅长晶方法优缺点

碳化硅晶体生长领域国内长晶工艺比较成熟的公司主要有:山东天岳、天科合达、北电新材(三安集成)、河北同光、东尼电子、中电化合物、中电二所、中科钢研等。

在碳化硅单晶生长设备制造领域,国外主要有德国PVA、日本日新技研、美国GT公司,国内具有批量生产经验的公司有南京晶升、北方华创和天科合达,其中天科合达主要以自备为主,有小批量外售;北方华创采用PVT法的标准机型,加热方式是感应加热;南京晶升有标准机型也有定制机型,生长方式涉及PVT和TSSG等,加热方式有中频感应加热和电阻加热方式。

来源:半导体前沿


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