碳化硅降本關(guān)鍵：晶體制備技術(shù)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底是價(jià)值量最大的部分，在碳化硅器件成本構(gòu)成中襯底甚至能夠占近50%，相比之下，硅基半導(dǎo)體器件的成本構(gòu)成中，作為襯底的硅片一般只占不到10%。

成本占比較高的原因，主要是碳化硅單晶材料的制備難度較大。硅由于存在液體形態(tài)，所以可以通過垂直拉伸來形成晶棒，但碳化硅本身屬于化合物，無法直接熔融結(jié)晶成為晶體。換個(gè)說法就是碳化硅在常壓下沒有液體形態(tài)，只有氣態(tài)和固態(tài)，達(dá)到一定溫度后就直接從固體升華成氣體，也就無法與硅晶棒一樣用直拉法制備。

那么要如何制造碳化硅晶體呢？這就要從碳化硅單晶的制造說起。自1885年美國化學(xué)家Edward Goodrich Acheson首次通過焦炭和硅石（石英砂、石英巖等）混合后在電熔爐中加熱獲得了碳化硅后，碳化硅制備就在很長時(shí)間里都是單純采用多種材料混合加熱的方式，生成的晶體雜質(zhì)較多，直徑較小，主要用于工業(yè)磨料等。

到了1955年，飛利浦實(shí)驗(yàn)室的 Lely發(fā)明了碳化硅的升華生長法(或物理氣相傳輸法，即 PVT 法)，能夠制備出純凈的碳化硅單晶。這種方法用石墨坩堝作為容器，采用碳化硅粉晶作為原材料，采用多孔石墨在石墨坩堝中心隔離出一個(gè)空的區(qū)域，生長時(shí)導(dǎo)入Ar和H2 氣體，然后將石墨坩堝加熱到2500℃，多孔石墨和石墨坩堝之間的碳化硅粉料就能夠升華分解成硅和碳?xì)庀辔镔|(zhì)，并通過多孔石墨被氣體帶入中間的空心區(qū)域，并生長成碳化硅單晶。

在此之后，又經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前碳化硅晶體生長主要有三種方式。

PVT物理氣相傳輸法

這是目前最為普遍的制備碳化硅單晶方式，大部分正在大規(guī)模出貨SiC襯底的廠商都采用了PVT法來進(jìn)行晶體生長。首先是晶體生長的原料合成，這個(gè)過程是將高純硅粉和高純碳粉按一定配方混合，在2000℃以上的高溫條件下，在反應(yīng)腔室內(nèi)通過特定反應(yīng)工藝，去除反應(yīng)環(huán)境中殘余的、反應(yīng)微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料。每一批進(jìn)行取樣測試純度、顆粒度等。

下一步是碳化硅單晶生長，目前的PVT法主要是在接近真空的密閉生長室腔內(nèi)，通過感應(yīng)加熱的方式將碳化硅粉料加熱到2300攝氏度以上，使其升華產(chǎn)生Si、Si2C、SiC2等多種氣相組分的反應(yīng)氣體，并在生長腔室頂部的碳化硅籽晶表面形成原子沉積，逐漸生長為碳化硅單晶。

當(dāng)然在這個(gè)過程中，有很多參數(shù)需要進(jìn)行穩(wěn)定控制，作為一個(gè)系統(tǒng)，不同參數(shù)的細(xì)微變動(dòng)，比如控制生長溫度、溫度梯度、生長面、料面間距和生長壓力等，都可能會(huì)導(dǎo)致最終生長出的晶體晶型改變，或是結(jié)晶缺陷。至于如何控制生長室腔內(nèi)熱場和溫度梯度等參數(shù)，就是各家襯底廠商的KnowHow了，這也是很多襯底廠商具備自研單晶爐能力的原因。

不過PVT法生長SiC單晶的速度太慢了，一般生長出20mm厚的晶體需要7天時(shí)間，而生產(chǎn)1~3米長的硅晶棒只需要一天時(shí)間。

HTCVD高溫化學(xué)氣相沉積法

HTCVD法實(shí)際上與PVT法類似，是在CVD化學(xué)氣相沉積法的基礎(chǔ)下進(jìn)行改進(jìn)。這種碳化硅單晶生長方法是利用硅烷（SiH4）和碳?xì)浠衔铮ū热鏑2H4、C3H8）氣體為晶體生長提供Si和C，在石墨坩堝中，氣體從底部進(jìn)入坩堝，在2100~2300℃的加熱區(qū)中反應(yīng)生成Si和SiC，這些反應(yīng)生成的氣體在坩堝上方旋轉(zhuǎn)的籽晶上生成碳化硅晶體。

HTCVD法的碳化硅晶體生長速度相對PVT而言較快，可以達(dá)到每小時(shí)0.3mm~0.6mm。在2020年超芯星就宣布國內(nèi)首臺(tái)HTCVD碳化硅單晶生長設(shè)備研制成功，未來也有機(jī)會(huì)成為大尺寸碳化硅晶體的重要生長方法之一。

液相法

液相法其實(shí)是一種誕生較早的碳化硅晶體制備方法，在20世紀(jì)60年代甚至要相比PVT法更受歡迎，不過由于PVT法在70年代后取得突破，從而逐漸成為主流技術(shù)。如今因?yàn)镻VT技術(shù)在大尺寸SiC晶體以及降低制造成本的問題上遭遇瓶頸，液相法又成為業(yè)界正在攻克的方向，

液相法是使用石墨坩堝，通過在熔融純硅中加入助溶劑，加大其對碳的溶解度，在靠近石墨坩堝壁處溫度較高，石墨坩堝中的碳溶解到熔融的硅中，而處于坩堝中心的碳化硅籽晶溫度較低，籽晶位置的熔融硅對碳的溶解度降低，這個(gè)時(shí)候原本的碳飽和溶液就會(huì)在籽晶附近形成過飽和溶液。而硅溶液中過飽和的碳結(jié)合溶液中的硅就能在籽晶表面外延生長碳化硅晶體，同時(shí)溶液中的碳析出后，溶液繼續(xù)回流到石墨坩堝壁，繼續(xù)溶解碳，以此循環(huán)。

根據(jù)人工晶體學(xué)報(bào)的資料，液相法制備SiC目前主要面臨四個(gè)方面的問題。首先是需要平衡生長速率和結(jié)晶質(zhì)量，如果生長速率太大，會(huì)容易出現(xiàn)多種嚴(yán)重影響結(jié)晶質(zhì)量的缺陷，嚴(yán)重時(shí)可能引起晶體開裂。

目前液相法的工藝中會(huì)以高純石墨坩堝作為容器的同時(shí)，還作為SiC晶體生長中C元素的來源，而隨著晶體的生長，坩堝內(nèi)壁也會(huì)不斷被腐蝕，從而可能影響晶體生長的環(huán)境。因此如何建立持續(xù)穩(wěn)定的晶體生長條件就非常關(guān)鍵。

由于生長溫度高，測試難度大，在液相法生長SiC單晶的過程中，對高溫溶液的凝固點(diǎn)、表面張力、黏度等熱力學(xué)參數(shù)還未明確。因此未來研究以及掌握這些參數(shù)以及控制這些參數(shù)的方式是液相法制備SiC進(jìn)一步發(fā)展的重要方向。

去年7月，天岳先進(jìn)宣布采用液相法制備出了低缺陷的8英寸晶體，通過熱場、溶液設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新突破了碳化硅單晶高質(zhì)量生長界面控制和缺陷控制難題，在業(yè)界屬于首創(chuàng)。同時(shí)國內(nèi)還有晶格領(lǐng)域半導(dǎo)體等公司在液相法制備碳化硅領(lǐng)域進(jìn)行研究，并已經(jīng)生產(chǎn)出6英寸的碳化硅晶體。海外方面，日本在液相法方面也投入了大量資金研究，包括名古屋大學(xué)、東京大學(xué)、住友、豐田、OXIDE等大學(xué)和公司都在進(jìn)行研發(fā)，在全球范圍內(nèi)較為領(lǐng)先。

小結(jié)：

目前碳化硅晶體制備效率較低，是碳化硅襯底價(jià)格居高不下的主要原因。不過隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，量產(chǎn)規(guī)模增長，以及制備晶體的方法逐步改進(jìn)，特別是液相法持續(xù)推進(jìn)商業(yè)落地，蔚來碳化硅降本的節(jié)奏將繼續(xù)加速。