中國粉體網(wǎng)訊 目前，主流的碳化硅長晶技術(shù)主要包括物理氣相沉積法（PVT）、液相生長法（LPE）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）。
物理氣相沉積法（PVT）
PVT法生長SiC單晶涉及許多復(fù)雜的過程，其工作原理是通過感應(yīng)線圈將坩堝加熱到2000-2400℃，在坩堝內(nèi)建立一個自下而上遞減的溫度梯度，促進SiC粉末的升華，然后SiC轉(zhuǎn)移到籽晶上，通過沉積形成單晶。
PVT法SiC單晶生長裝置結(jié)構(gòu)圖
優(yōu)點：PVT法生長設(shè)備要求低，生長過程簡單，可控性強，技術(shù)發(fā)展較為成熟，已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)開始逐步實現(xiàn)8英寸襯底的大量量產(chǎn)。
缺點：PVT法位錯密度仍然較高，這對器件的性能和壽命有非常不利的影響；其次還存在擴徑難度大、成品率低、成本高等局限性。
技術(shù)難點：
1）晶型控制難度大。在PVT法生長SiC單晶過程中，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時，爐內(nèi)及生長界面溫度控制難度劇增，嚴(yán)重影響質(zhì)量。國內(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SiC單晶方面做了大量研究并取得了一定的進展。
3）氣體輸運與反應(yīng)優(yōu)化需求迫切。PVT法高度依賴高溫氣體輸運與反應(yīng)過程。優(yōu)化氣體流動和反應(yīng)動力學(xué)條件，以提高生長效率和減少雜質(zhì)摻入，是亟待解決的核心問題。
高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）
高溫氣源法又稱為高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）法。HTCVD法是對傳統(tǒng)CVD技術(shù)的一種改進，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：HTCVD法有晶體質(zhì)量高、長晶速度快、可以實現(xiàn)連續(xù)加料等優(yōu)點。另外，該法生長SiC晶體的速率要比其他方法更快。
缺點：由于生長設(shè)備和高純氣體價格不菲，導(dǎo)致該方法生產(chǎn)成本較高，商業(yè)化進程緩慢。目前主要用來制備半絕緣型SiC襯底。
技術(shù)難點：
1）氣源分解速度不穩(wěn)定（過快或過慢），易導(dǎo)致設(shè)備進氣口堵塞，這使得HTCVD法生長SiC單晶設(shè)備的穩(wěn)定性較差；
2）對于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年對外宣布可以通過HTCVD法量產(chǎn)8英寸的SiC單晶。國內(nèi)企業(yè)超芯星于2019年10月全國首推出大尺寸擴徑碳化硅單晶（163mm約6.5英寸）；2020年，超芯星推出了國內(nèi)首臺套HTCVD碳化硅單晶生長設(shè)備。
液相法（LPE）
液相法常用的是頂部籽晶溶液生長法（TSSG），生長溫度通常在2073K左右，比PTV法的生長溫度低。在生長過程中，把籽晶固定在吊桿上，通過對石墨坩堝中含有Si的助熔劑進行加熱使之成為熔融態(tài)，而石墨坩堝則為晶體生長提供C源，溶液隨著坩堝內(nèi)部的對流流向籽晶方向，傳輸?shù)阶丫П砻孢M行SiC晶體的生長。
液相法生長SiC晶體示意圖
優(yōu)點：位錯密度低，長晶速率快，結(jié)晶質(zhì)量高，摻雜可控性強。
缺點：生長過程中的溫度梯度難以精確調(diào)控、生長速率與結(jié)晶質(zhì)量不平衡、晶體表面形貌粗糙以及溶劑夾雜等問題仍然限制了該方法的快速發(fā)展。
技術(shù)難點：
1）助溶劑的比例調(diào)控（充分考慮溶C的促進作用，排除雜質(zhì)影響發(fā)前提下促使C濃度更高，驅(qū)動著長晶進行）；
2）溫場控制（溫場的材料依賴于進口，成本居高不下）溫度梯度的穩(wěn)定性和對稱性；
3）籽晶系統(tǒng)需進行高精度控制，確保生長過程穩(wěn)定。
近年來，日美等高校與公司均開展了大量SiC晶體液相法生長的研究，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。中國科學(xué)院物理所的陳小龍團隊在國際上首次生長出了直徑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產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成果轉(zhuǎn)化落地。
來源：
楊皓等：碳化硅單晶制備方法及缺陷控制研究進展
粉體網(wǎng)：液相法碳化硅單晶生長技術(shù)研究進展綜述
顧鵬等：頂部籽晶溶液法生長碳化硅單晶及其關(guān)鍵問題研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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