中国粉体网讯 当前碳化硅单晶的制备方法主要有：物理气相传输法（PVT）、顶部籽晶溶液生长法（TSSG）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）。其中，PVT法具有设备简单，操作容易控制，设备价格以及运行成本低等优点，成为工业生产所采用的主要方法。
PVT法制备碳化硅晶体技术要点
采用物理气相传输法（PVT）生长碳化硅晶体需要注意的技术要点有：
PVT法生长结构示意图
（1）长晶温场内部石墨材料纯度要到达要求，石墨件杂质含量要求小于5×10-6，保温毡杂质含量要求小于10×10-6，其中B和Al元素要求在0.1×10-6以下。
（2）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。
（3）使用偏轴籽晶生长。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。
（4）良好的籽晶粘接工艺。
（5）在长晶周期中保持晶体生长界面稳定性。
碳化硅晶体生长关键技术
1.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，使晶体生长的更快；可以控制碳化硅的取向，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。
2.轴向与径向温场梯度控制技术
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。合适的轴向和径向温度梯度有助于SiC晶体的快速生长以及保持晶体质量的稳定。
3.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。因为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。
4.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。
5.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。
6英寸SiC晶片扫描图
为了减小晶体内的应力，可以采取几种方法改进工艺：
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；
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；
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；
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。
碳化硅长晶技术发展趋势
展望未来，高品质SiC单晶制备技术将朝着几个方向发展：
大尺寸化
碳化硅单晶的直径已经从最初的几毫米发展到了现在的6英寸、8英寸甚至更大的12英寸。大尺寸碳化硅单晶的制备可以提高生产效率、降低成本，同时也可以满足大功率器件的需求。
高质量化
高质量的碳化硅单晶是实现高性能器件的关键。目前，虽然碳化硅单晶的质量已经有了很大的提高，但是仍然存在一些缺陷，如微管、位错、杂质。这些缺陷会影响器件的性能和可靠性。
低成本化
碳化硅单晶的制备成本较高，这限制了在一些领域的应用。可以通过优化生长工艺、提高生产效率、降低原料成本等方法来降低碳化硅单晶的制备成本。
智能化
随着人工智能、大数据等技术的发展，碳化硅长晶技术也将逐渐实现智能化。可以通过传感器、自动化控制系统等设备对生长过程进行实时监测和控制，提高生长过程的稳定性和可控性。同时，还可以利用大数据分析等技术对生长数据进行分析和优化，提高晶体的质量和生产效率。
高品质碳化硅单晶的制备技术是当前半导体材料研究的热点之一。随着科技的不断进步，碳化硅长晶技术将不断发展和完善，为碳化硅在高温、高频、高功率等领域的应用提供更加坚实的基础。
来源：
王宏杰等：高品质碳化硅单晶制备技术
杨皓等：碳化硅单晶制备方法及缺陷控制研究进展
（中国粉体网编辑整理/空青）
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