文章來源：晶格半導(dǎo)體

原文作者：晶格半導(dǎo)體

本文介紹了用TSSG法生長SiC單晶來解決傳統(tǒng)方法生長的困難。

傳統(tǒng)熔體法的局限

SiC的物理特性決定了其生長難度。在常壓環(huán)境下，SiC并無熔點(diǎn)，一旦溫度攀升至2000℃以上，便會直接發(fā)生氣化分解現(xiàn)象。從理論層面預(yù)測，只有在壓強(qiáng)高達(dá)109Pa且溫度超過3200℃的極端條件下，才有可能獲取滿足化學(xué)計(jì)量比的SiC熔體。如此嚴(yán)苛的條件，使得通過傳統(tǒng)的同成分SiC熔體緩慢冷卻凝固的熔體法來生長SiC單晶變得極為困難，不僅對設(shè)備的耐高溫、耐壓性能要求近乎苛刻，還會導(dǎo)致生產(chǎn)成本飆升，生長過程的可操作性和穩(wěn)定性極差。

液相法生長的理論突破

轉(zhuǎn)機(jī)來自對Si-C二元相圖的研究。在相圖的富Si端，存在著“L+SiC”的二相區(qū)，這一發(fā)現(xiàn)為SiC的液相法生長開辟了新路徑。起初，研究人員嘗試以純Si作為自助熔劑，采用高溫溶液生長法（HTSG）來生長SiC單晶。然而，在2000℃以下的溫度區(qū)間，Si熔體對C的溶解度極低，不足1% 。這一低溶解度嚴(yán)重限制了SiC晶體生長時(shí)對C元素的需求，導(dǎo)致晶體生長速率緩慢，結(jié)晶質(zhì)量難以提升，尺寸拓展也面臨瓶頸。即便試圖通過升高溫度來增加Si熔體對C的溶解度，又會引發(fā)Si熔體大量揮發(fā)的問題，使得晶體生長難以持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

TSSG法核心原理的形成

為突破上述困境，科研人員探索出兩種途徑。第一種是高溫高壓技術(shù)，雖能在一定程度上升溫提高C的溶解度，同時(shí)利用高氣壓抑制Si的揮發(fā)，但該方法技術(shù)難度極大，生長成本高昂，且對C溶解度的提升效果有限，后續(xù)發(fā)展受限。第二種途徑則是在Si熔體中添加對C有較高溶解度的助熔劑元素（如過渡族金屬元素或稀土元素等）。這一方法不僅能夠有效提高C在高溫溶液中的溶解度，還能大幅降低晶體生長所需的溫度和氣壓，極大地降低了HTSG法生長SiC單晶的技術(shù)門檻和成本，成為當(dāng)前TSSG法的核心原理基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用。

TSSG法生長過程的原理闡釋

（一）原料與裝置的原理設(shè)計(jì)

TSSG法生長SiC單晶的裝置設(shè)計(jì)蘊(yùn)含著精妙的原理。通常，將Si和助熔劑元素放置在高純石墨坩堝中，籽晶桿與冷端相連。高純石墨坩堝在此扮演著雙重關(guān)鍵角色，一方面，它作為容器盛放高溫溶液；另一方面，鑒于高溫溶液對C的溶解度較低，為實(shí)現(xiàn)大的生長量，在生長過程中持續(xù)補(bǔ)充C至關(guān)重要，而高純石墨坩堝能夠穩(wěn)定地為晶體生長提供C源，這是一種既簡便又高效的供C方式，保障了晶體生長過程中C元素的穩(wěn)定供應(yīng)。

（二）溫場控制與生長啟動原理

生長伊始，將坩堝中的原料加熱至熔融狀態(tài)，此時(shí)，精確控制溫場成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過特定的技術(shù)手段，使高溫溶液在軸向上形成特定的溫度梯度。穩(wěn)定的溫場建立后，當(dāng)高溫溶液中C的濃度達(dá)到平衡時(shí)，便將籽晶下推使其與高溫溶液接觸，由此正式啟動晶體生長。這一過程中，溫場的精確控制原理在于利用溫度差來驅(qū)動溶質(zhì)的傳輸和晶體的生長。溫度梯度的存在使得高溫溶液中的溶質(zhì)具有從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴(kuò)散的趨勢，為晶體生長提供了物質(zhì)傳輸?shù)膭恿?，而籽晶的引入則為晶體生長提供了結(jié)晶核心，引導(dǎo)SiC晶體在籽晶表面有序生長。

（三）溶質(zhì)傳輸與晶體持續(xù)生長原理

在晶體生長過程中，坩堝底部的高溫溶液會持續(xù)地從石墨坩堝壁溶解C。這一溶解過程基于石墨在高溫下的穩(wěn)定性和C元素的活性，使得C能夠不斷融入高溫溶液。隨后，在高溫溶液對流和溶質(zhì)擴(kuò)散作用下，C被源源不斷地傳輸?shù)綔囟认鄬^低的晶體生長界面處。晶體生長的驅(qū)動力f與高溫溶液中C濃度緊密相關(guān)，根據(jù)公式f∝-ΔG=RTln(C/C0)（其中C為晶體生長界面處C的實(shí)際濃度，C0為高溫溶液在溫度為T時(shí)C的飽和濃度），當(dāng)C>C0時(shí)，意味著高溫溶液處于過飽和狀態(tài)，此時(shí)晶體生長的驅(qū)動力f>0，SiC會不斷從高溫溶液中析出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)晶體的持續(xù)生長。這一原理揭示了溶質(zhì)濃度差在晶體生長中的關(guān)鍵作用，通過維持晶體生長界面處的過飽和狀態(tài)，保證了晶體生長的持續(xù)進(jìn)行。

生長關(guān)鍵平衡與調(diào)控原理

（一）多平衡體系的協(xié)同原理

理想的TSSG法生長SiC單晶狀態(tài)，依賴于多個(gè)關(guān)鍵平衡的協(xié)同維持。坩堝內(nèi)高溫溶液中C的溶解、傳輸與消耗的平衡，確保了C元素在整個(gè)生長體系中的穩(wěn)定供應(yīng)與合理利用；坩堝中熱量輸入與耗散的平衡，維持了生長環(huán)境溫度的穩(wěn)定，避免因溫度波動影響晶體生長；晶體生長界面處溶質(zhì)的傳入與單晶生長消耗的平衡，保證了晶體生長的連續(xù)性和穩(wěn)定性；晶體生長界面處熱量輸入與傳出的平衡，有助于維持晶體生長界面的穩(wěn)定性，避免因熱量積聚或散失過快導(dǎo)致晶體缺陷。這些平衡相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同構(gòu)建起一個(gè)穩(wěn)定的晶體生長環(huán)境。

（二）溶質(zhì)傳輸?shù)暮诵脑?/strong>