碳化硅长晶“黑匣子”揭秘：如何从47%的成本中抠出利润？

在碳化硅产业链中，由于衬底占器件总成本的47%，因此降低晶体缺陷，提升晶体生长良率是助推碳化硅实现大规模产业化应用的主要途径。

制备碳化硅单晶的主流方法是物理气相传输法（PVT），结构主要由石英管腔体、发热体（感应线圈或石墨加热器）、石墨碳毡隔热材料、石墨坩埚、碳化硅籽晶、碳化硅粉体和高温测量温度计组成，其中碳化硅粉料位于石墨坩埚底部，籽晶固定在坩埚顶部。

晶体生长工艺过程为：通过加热（感应或电阻式）使坩埚底部温度达到2 100～2 400℃，位于坩埚底部的碳化硅粉料在高温下进行分解并产生Si、Si2C和SiC2等气相物质，在腔体内部温度梯度和浓度梯度的作用下，气象物质被输送到温度较低的籽晶表面并逐步实现凝结成核，最终实现碳化硅晶体的生长。

影响SiC单晶品质关键技术要点

中国电子科技集团公司第二研究所专研第三代半导体材料装备与工艺的高级工程师认为，采用物理气相传输法生长碳化硅晶体需要注意以下5大技术要点：

第一，长晶温场内部石墨材料纯度要到达要求。

石墨件要求小于5×10-6，保温毡要求小于10×10-6，其中B和Al元素要求在0.1×10-6以下，二者在碳化硅生长过程中会产生游离的空穴，两种元素过多会导致碳化硅的电学性能不稳定，影响碳化硅器件的性能。同时杂质的存在可能导致晶体缺陷、位错，最终影响晶体的品质。

第二，籽晶极性选择要正确。

经验证在C（0001）面可用于生长4H-SiC晶体，Si（0001）面用于生长6H-SiC晶体。

第三，使用偏轴籽晶生长。

偏轴籽晶的角度优值为4°，并指向[1120]晶向，因为偏轴籽晶不仅可以改变晶体生长的对称性，减少晶体中的缺陷，还可以使晶体沿着特定的晶向生长，有利于制备单一晶型的晶体，同时可以使晶体生长更加均匀，减少晶体中的内应力和应变，提高晶体质量。

第四，良好的籽晶粘接工艺。

籽晶的背面在高温下发生分解升华，在长晶过程中晶体内部会形成六方空洞，甚至生成微管缺陷，严重会生成大面积多型晶体。为此，需对籽晶背面进行预处理，可以在籽晶Si面涂抹一层厚度约为20μm的致密光刻胶，经过600℃左右的高温碳化，形成一层致密的碳化膜层，再经过高温和压力作用与石墨板或石墨纸粘结，这样得到的籽晶可以大大改善晶体的结晶质量，并可有效抑制籽晶背面烧蚀。

第五，在长晶周期中保持晶体生长界面稳定性。

随着碳化硅晶体厚度逐渐增加，长晶界面逐渐向位于坩埚底部的碳化硅粉料上表面方向移动，导致长晶界面的生长环境发生变化，界面的热场、碳硅比等参数面临波动的风险，同时使得气氛物质输送速率下降，长晶速度减慢，给晶体持续稳定生长带来风险。

可以通过优化结构和控制方式在一定程度上缓解上述问题，增加坩埚运动机构，并控制坩埚以长晶速率沿轴性方向缓慢向上移动，来满足长晶界面生长环境的稳定性，并持续保持稳定的轴向和径向温度梯度。

碳化硅晶体生长5个关键技术

据中国电子科技集团公司第二研究所的研究人员介绍，生长单一的4H-SiC晶型有助于避免晶体中缺陷的产生，也是制备高品质碳化硅晶体的必要条件。

碳化硅粉料掺杂技术

在碳化硅粉料中掺杂适量的Ce元素，可以实现对4H-SiC单一晶型稳定生长的作用。实践证明，在粉料对Ce元素的掺杂，可以提高碳化硅晶体的生长速率，使晶体生长得更快；可以控制碳化硅的取向，即使得晶体生长方向更单一，更规则；抑制晶体中杂质的产生，减少缺陷的生成，更易获取单一晶型的晶体和高品质的晶体；可以抑制晶体背面的腐蚀并提高晶体的单晶率。

其中，铈源一般为CeO2或CeSi2，而在相同的长晶条件下，利用CeSi2作为铈源制备的晶体电阻率更低。

轴向与径向温场梯度控制技术

碳化硅长晶的温度场由两部分构成：一个是晶体生长的径向温度梯度，另一个是晶体生长轴向温度梯度。

径向温度梯度主要对生长的晶型产生影响，具体表现为生长出的晶体表面显示凹或凸的界面，其中凹的界面会引起6H或15R多型，凸的界面是由于径向梯度过大使缓慢生长的台阶发生聚并导致生长基平面与边缘部分之间形成比较陡的台阶。

轴向温度梯度主要对晶体生长晶型和长晶效率产生影响，过小的温度梯度在长晶过程中会导致杂晶的出现，同时会影响气相物质的运输速率，导致长晶速率降低。解决主要办法是减小径向的温度梯度，增大轴向温度梯度。

基平面位错（BPD）控制技术

BPD缺陷形成的主要原因是晶体中的剪切应力超过SiC晶体的临界剪切应力，导致滑移系统的激活。这种缺陷会导致碳化硅器件SiC pn结二极管在长期正向电压工作后出现劣化，或使功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和结晶型场效应晶体管（JFET）在阻断模式下漏电流增大，从而限制SiC器件的应用。

由于BPD垂直于晶体生长方向，所以主要是在晶体生长过程中和后期晶体冷却过程中产生的。抑制BPD的采取的主要方法是：1）调节晶体生长后期的冷却速率，2）优化籽晶粘接工艺，3）采用与SiC籽晶的热膨胀系数相近的石墨坩埚。

气相组分比调节控制技术

在晶体生长工艺中，提高生长环境中的碳硅比气相组分比是实现单一晶型稳定生长的有效措施。因为高的碳硅比可以减少大的台阶聚并，保持籽晶表面生长信息的遗传，所以可以抑制多型产生。

通过一些方法可以提高生长环境中的碳硅比：

1）4H-SiC单晶生长温度窗口中尽可能提高坩埚底部的温度，使粉料充分升华实现气相质量运输，使得生长界面出现富C环境。

2）采用大气孔率的石墨坩埚，孔隙率大的石墨坩埚可以额外引入C源，吸收气相组分中的Si蒸汽，减小气相组分中的Si，从而增大碳硅比。同时石墨坩埚也可以与Si气氛反应生成Si2C、SiC2和SiC，相当于Si气氛从石墨坩埚上将C源带入了生长气氛中，增加了C的比率，也可以增大碳硅比，因此可以通过采用大气孔率的石墨坩埚增大碳硅比，抑制多型产生。

3）在碳化硅长晶工艺中，采用多孔石墨板或增加多孔石墨桶来实现生长环境中的碳硅比气相组分。

低应力控制技术

在晶体生长过程中，由于应力的存在会导致SiC晶体内部晶面弯曲，导致晶体质量差，甚至晶体开裂，而且大的应力会导致晶片的基平面位错的增加，这些缺陷会在外延工艺时进入外延层严重影响后期器件的性能。

为了减小晶体内的应力，可以采取几种方法改进工艺：

1）调整温场分布和工艺参数，使SiC单晶生长尽可能在近平衡状态下生长。

2）优化坩埚结构形状，尽量使晶体在无束缚状态下自由的生长。

3）籽晶固定方面，改变籽晶固定工艺，降低籽晶与石墨托在升温过程中的膨胀系数差异，减小4H-SiC单晶内部的应力，通常采用的方法是在籽晶与石墨托之间留有2mm的间隙。

4）改变晶体退火工艺，使晶体随炉退火，并调整晶体退火温度和退火时间，充分释放晶体内部的应力。

资料来源：王宏杰等，高品质碳化硅单晶制备技术，中国电子科技集团公司第二研究所