三種碳化硅的主要制備方法

目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(zhǎng)法（TSSG）；高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）。其中TSSG法生長(zhǎng)晶體尺寸較小目前僅用于實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)，商業(yè)化的技術(shù)路線主要是PVT和HT-CVD，與HT-CVD法相比，采用PVT法生長(zhǎng)的SiC單晶所需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易控制，設(shè)備價(jià)格以及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)生產(chǎn)所采用的主要方法。

與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料諸如Ge、Si、GaAs、InP可以用籽晶從熔體中生長(zhǎng)晶體不同，常規(guī)壓力下不存在化學(xué)計(jì)量比的SiC，所以工藝上在合理的系統(tǒng)壓力下是不可能采用同成份熔體生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)SiC晶體的。但SiC會(huì)在一個(gè)很高的溫度，大概1800-2000℃下升華，這是物理氣相傳輸法（PVT）中原料供應(yīng)的關(guān)鍵物理過程。相圖顯示，當(dāng)溫度達(dá)到2800℃以上時(shí)，在Si熔體中可以溶解不超過19%的碳，液相（溶液）生長(zhǎng)法（TSSG）正是利用了這一現(xiàn)象。

Si-C二元系相圖

PVT法生長(zhǎng)碳化硅的熱場(chǎng)原理如下圖所示，該方法主要包含三個(gè)步驟：SiC源的升華、升華物質(zhì)的運(yùn)輸、表面反應(yīng)和結(jié)晶，該過程類似鍋蓋上的水蒸氣凝結(jié)過程。在準(zhǔn)密閉的坩堝系統(tǒng)采用感應(yīng)或電阻加熱，將作為生長(zhǎng)源的固態(tài)混合物置于溫度較高的坩堝底部，籽晶固定在溫度較低的坩堝頂部。在低壓高溫下，生長(zhǎng)源升華且分解產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)，生長(zhǎng)源與籽晶之間存在溫度梯度，因而會(huì)形成的壓力梯度，這些氣態(tài)物質(zhì)會(huì)由此被輸運(yùn)到低溫的籽晶位置，形成過飽和，籽晶開始長(zhǎng)大。

PVT法熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

HTCVD方法的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，該方法中SiC晶錠生長(zhǎng)在一個(gè)垂直結(jié)構(gòu)的石墨坩堝中進(jìn)行，其中前氣體由下向上輸運(yùn)，經(jīng)過一段加熱區(qū)后到達(dá)放置在頂端的籽晶夾具處，前體氣體采用經(jīng)過稀釋的SiH4和C2H4、C3H8這樣的碳?xì)浠衔铩Ｔ诩訜釁^(qū)域內(nèi)部前體氣體完全分解并發(fā)生著數(shù)種反應(yīng)，由于氣相中的高度過飽和，結(jié)果就是通過均勻相成核形成Si和SiC的團(tuán)簇，這些團(tuán)簇充當(dāng)了在籽晶上生長(zhǎng)SiC晶錠過程中實(shí)際上的源。

HTCVD熱場(chǎng)示意圖

下圖展示了TSSG法的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖，一個(gè)石墨坩堝中充滿Si基熔體，籽晶放置在與熔體表面接觸處，籽晶的溫度略低于熔體的溫度，以此提供生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，該方法存在若干難點(diǎn)：1、在大氣壓下，并不存在化學(xué)計(jì)量比比的液相SiC，并且即使在2800℃的高溫下，Si熔體中C的溶解度僅有19%，在這樣高的溫度下，由于Si很高的蒸汽壓，Si的蒸發(fā)會(huì)很顯著，使得晶體持續(xù)生長(zhǎng)幾乎不可能，此外Si熔體/氣體會(huì)與熱場(chǎng)的石墨材料發(fā)生顯著反應(yīng)，也成為長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)的另外一個(gè)挑戰(zhàn)。為解決這些問題，目前主要有高壓溶液生長(zhǎng)法和基于參加金屬溶劑的溶液生長(zhǎng)法。

TSSG法熱場(chǎng)示意

各種碳化硅長(zhǎng)晶方法優(yōu)缺點(diǎn)

碳化硅晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)長(zhǎng)晶工藝比較成熟的公司主要有：山東天岳、天科合達(dá)、北電新材（三安集成）、河北同光、東尼電子、中電化合物、中電二所、中科鋼研等。

在碳化硅單晶生長(zhǎng)設(shè)備制造領(lǐng)域，國(guó)外主要有德國(guó)PVA、日本日新技研、美國(guó)GT公司，國(guó)內(nèi)具有批量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的公司有南京晶升、北方華創(chuàng)和天科合達(dá)，其中天科合達(dá)主要以自備為主，有小批量外售；北方華創(chuàng)采用PVT法的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，加熱方式是感應(yīng)加熱；南京晶升有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型也有定制機(jī)型，生長(zhǎng)方式涉及PVT和TSSG等，加熱方式有中頻感應(yīng)加熱和電阻加熱方式。

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原文標(biāo)題：【行業(yè)知識(shí)】對(duì)于三種碳化硅制備方法的淺析

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