目前碳化硅單晶的制備方法主要有：物理氣相傳輸法（PVT）；頂部籽晶溶液生長法（TSSG）；高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）。其中TSSG法生長晶體尺寸較小目前僅用于實驗室生長，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法生長的SiC單晶所需要的設備簡單，操作容易控制，設備價格以及運行成本低等優(yōu)點成為工業(yè)生產(chǎn)所采用的主要方法。

與傳統(tǒng)的半導體材料諸如Ge、Si、GaAs、InP可以用籽晶從熔體中生長晶體不同，常規(guī)壓力下不存在化學計量比的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方法生長SiC晶體的。但SiC會在一個很高的溫度，大概1800-2000℃下升華，這是物理氣相傳輸法（PVT）中原料供應的關(guān)鍵物理過程。相圖顯示，當溫度達到2800℃以上時，在Si熔體中可以溶解不超過19%的碳，液相（溶液）生長法（TSSG）正是利用了這一現(xiàn)象。

Si-C二元系相圖

PVT法生長碳化硅的熱場原理如下圖所示，該方法主要包含三個步驟：SiC源的升華、升華物質(zhì)的運輸、表面反應和結(jié)晶，該過程類似鍋蓋上的水蒸氣凝結(jié)過程。在準密閉的坩堝系統(tǒng)采用感應或電阻加熱，將作為生長源的固態(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，生長源升華且分解產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)，生長源與籽晶之間存在溫度梯度，因而會形成的壓力梯度，這些氣態(tài)物質(zhì)會由此被輸運到低溫的籽晶位置，形成過飽和，籽晶開始長大。

PVT法熱場結(jié)構(gòu)圖

HTCVD方法的熱場結(jié)構(gòu)如下圖所示，該方法中SiC晶錠生長在一個垂直結(jié)構(gòu)的石墨坩堝中進行，其中前氣體由下向上輸運，經(jīng)過一段加熱區(qū)后到達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這樣的碳氫化合物。在加熱區(qū)域內(nèi)部前體氣體完全分解并發(fā)生著數(shù)種反應，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的團簇，這些團簇充當了在籽晶上生長SiC晶錠過程中實際上的源。

HTCVD熱場示意圖

下圖展示了TSSG法的熱場結(jié)構(gòu)圖，一個石墨坩堝中充滿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，以此提供生長的驅(qū)動力，該方法存在若干難點：1、在大氣壓下，并不存在化學計量比比的液相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)會很顯著，使得晶體持續(xù)生長幾乎不可能，此外Si熔體/氣體會與熱場的石墨材料發(fā)生顯著反應，也成為長時間生長的另外一個挑戰(zhàn)。為解決這些問題，目前主要有高壓溶液生長法和基于參加金屬溶劑的溶液生長法。

TSSG法熱場示意

各種碳化硅長晶方法優(yōu)缺點

碳化硅晶體生長領(lǐng)域國內(nèi)長晶工藝比較成熟的公司主要有：山東天岳、天科合達、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。

在碳化硅單晶生長設備制造領(lǐng)域，國外主要有德國PVA、日本日新技研、美國GT公司，國內(nèi)具有批量生產(chǎn)經(jīng)驗的公司有南京晶升、北方華創(chuàng)和天科合達，其中天科合達主要以自備為主，有小批量外售；北方華創(chuàng)采用PVT法的標準機型，加熱方式是感應加熱；南京晶升有標準機型也有定制機型，生長方式涉及PVT和TSSG等，加熱方式有中頻感應加熱和電阻加熱方式。

責任編輯：xj

原文標題：【行業(yè)知識】對于三種碳化硅制備方法的淺析

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