晶體制備技術(shù)：碳化硅襯底成本降低的關(guān)鍵路徑

在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底部分占據(jù)主要價值份額，其在碳化硅器件總成本中的比重可達(dá)近50%。相較而言，在硅基半導(dǎo)體器件的成本結(jié)構(gòu)中，硅片襯底的占比通常不超過10%。這一顯著差異的根本原因在于碳化硅單晶材料制備的復(fù)雜性。

不同于硅，碳化硅在常壓下不存在液態(tài)，它只在固態(tài)和氣態(tài)之間轉(zhuǎn)換。硅可以通過液態(tài)垂直拉伸形成晶棒，但碳化硅由于其化合物性質(zhì)，無法通過傳統(tǒng)的直拉法制備。簡言之，碳化硅在達(dá)到一定溫度后會從固態(tài)直接升華成氣體。 碳化硅單晶的生產(chǎn)始于1885年，當(dāng)時美國化學(xué)家Edward Goodrich Acheson首次通過將焦炭和硅石（石英砂、石英巖等）在電熔爐中混合加熱而獲得。長期以來，這種混合加熱的方法主導(dǎo)了碳化硅的制備，但生成的晶體常含有較多雜質(zhì)，尺寸較小，主要應(yīng)用于工業(yè)磨料等領(lǐng)域。 1955年，飛利浦實驗室的Lely發(fā)明了碳化硅的升華生長法（也稱為物理氣相傳輸法，即PVT法），實現(xiàn)了純凈碳化硅單晶的制備。這一方法采用石墨坩堝，以碳化硅粉晶作為原料，利用多孔石墨在坩堝中央形成一個空腔，通過注入Ar和H2氣體并加熱至2500℃，使得碳化硅粉料升華并在中間空腔中生長成單晶。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前碳化硅晶體的生長主要采用以下三種方法： 物理氣相傳輸（PVT）法 物理氣相傳輸（PVT）法目前是制備碳化硅（SiC）單晶的主流方法，被大多數(shù)大規(guī)模生產(chǎn)SiC襯底的企業(yè)所采用。這個過程從原料的合成開始：將高純硅粉與高純碳粉按照特定比例混合，然后在2000℃以上的高溫下，在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng)。這個步驟旨在去除吸附在微粉表面的微量雜質(zhì)，確保按照預(yù)定的化學(xué)計量比反應(yīng)生成具有特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。經(jīng)過破碎、篩分、清洗等一系列工序后，得到滿足晶體生長標(biāo)準(zhǔn)的高純度碳化硅粉。每批原料都需經(jīng)過純度和顆粒度的嚴(yán)格測試。?? ?

接下來是碳化硅單晶的生長階段。在這一步驟中，PVT法主要在接近真空的封閉生長室內(nèi)進(jìn)行。通過感應(yīng)加熱技術(shù)，將碳化硅粉料加熱至超過2300攝氏度，使其升華并產(chǎn)生多種氣相組分（如Si、Si2C、SiC2等）。這些氣體在生長腔室頂部的碳化硅籽晶表面進(jìn)行原子沉積，逐漸形成碳化硅單晶。

在整個生長過程中，需要精確控制多個參數(shù)，如生長溫度、溫度梯度、晶體與原料表面的距離以及生長壓力等。這些參數(shù)的微小變化都可能影響晶體的最終品質(zhì)，如晶體結(jié)構(gòu)的變化或形成缺陷。因此，如何控制生長室內(nèi)的熱場和溫度梯度成為了各個廠商的核心技術(shù)，也是許多企業(yè)擁有自主研發(fā)單晶爐能力的關(guān)鍵所在。 然而，PVT法在生長SiC單晶時的速度相對較慢。通常，生長出20毫米厚的晶體需要大約7天時間，而相比之下，生產(chǎn)1至3米長的硅晶棒只需一天。盡管如此，PVT法憑借其在制備高質(zhì)量碳化硅單晶方面的優(yōu)勢，仍然是行業(yè)的首選技術(shù)。

高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）法 高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）方法是對傳統(tǒng)CVD技術(shù)的一種改進(jìn)，與物理氣相傳輸（PVT）法有相似之處。這種先進(jìn)的碳化硅單晶生長技術(shù)主要依賴于硅烷（SiH4）和碳?xì)浠衔铮ㄈ鏑2H4、C3H8）氣體，作為硅（Si）和碳（C）源。在這個過程中，氣體從石墨坩堝底部進(jìn)入，在2100至2300攝氏度的高溫區(qū)域發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Si和SiC。由這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體隨后在坩堝上方的碳化硅籽晶上沉積，形成單晶。?? ?

HTCVD法在生長碳化硅晶體方面相較于PVT法具有更高的速率，生長速度可達(dá)每小時0.3至0.6毫米。這一方法在碳化硅單晶生長領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。2020年，超芯星公司宣布成功研制了國內(nèi)首臺HTCVD碳化硅單晶生長設(shè)備，這標(biāo)志著HTCVD技術(shù)在實際應(yīng)用中取得重要進(jìn)展。鑒于其較快的生長速度和高效的生產(chǎn)能力，HTCVD法有望成為生產(chǎn)大尺寸碳化硅晶體的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，HTCVD法預(yù)計將在未來的碳化硅單晶生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。

液相法 液相法是一種歷史悠久的碳化硅（SiC）晶體制備技術(shù)，它在20世紀(jì)60年代曾廣受歡迎，甚至超越了物理氣相傳輸（PVT）法。然而，隨著70年代PVT法的技術(shù)突破，液相法逐漸被邊緣化。如今，由于PVT法在制造大尺寸SiC晶體和降低成本方面遇到挑戰(zhàn)，液相法重新引起了業(yè)界的關(guān)注。?? ?

液相法的核心在于使用石墨坩堝作為反應(yīng)器，通過在熔融純硅中加入助溶劑，提高其對碳的溶解度。在坩堝靠近壁面的高溫區(qū)域，碳溶解于熔融硅中；而在坩堝中心溫度較低的碳化硅籽晶處，碳的溶解度降低，形成過飽和溶液。此時，溶液中的碳與硅結(jié)合，在籽晶表面進(jìn)行外延生長。同時，溶液中析出的碳繼續(xù)回流至坩堝壁，繼續(xù)溶解，形成循環(huán)。

盡管液相法具有潛力，但它仍面臨一些技術(shù)難題。首先，需要在生長速率和晶體質(zhì)量之間找到平衡，因為過快的生長速度可能導(dǎo)致缺陷，甚至晶體開裂。此外，由于石墨坩堝在生長過程中不斷腐蝕，可能會影響晶體生長環(huán)境的穩(wěn)定性。此外，由于高溫生長條件下測試的難度，對于液相中的熱力學(xué)參數(shù)（如凝固點、表面張力、黏度等）尚未完全掌握，這些是未來研究的重要方向。

最近，天岳先進(jìn)公司宣布使用液相法成功制備出低缺陷的8英寸晶體，這在碳化硅單晶生長領(lǐng)域是一項重要的突破。國內(nèi)的晶格領(lǐng)域半導(dǎo)體公司也在液相法方面取得了進(jìn)展，成功生產(chǎn)出6英寸碳化硅晶體。在國際上，日本的研究機構(gòu)和企業(yè)，包括名古屋大學(xué)、東京大學(xué)、住友、豐田、OXIDE等，也在積極投資液相法的研發(fā)，表明這一技術(shù)在全球范圍內(nèi)正逐步走向前沿。

小結(jié) 當(dāng)前碳化硅（SiC）晶體的制備效率相對較低，這直接影響了碳化硅襯底的成本，是其價格高企的主要原因。然而，隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟和量產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，碳化硅晶體制備技術(shù)也在持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展。特別是液相法的進(jìn)步，為碳化硅晶體的商業(yè)化生產(chǎn)提供了新的動力。隨著這些技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，碳化硅晶體制備的效率有望提高，從而降低成本。液相法等新興技術(shù)的實際應(yīng)用和商業(yè)化推廣將是關(guān)鍵因素，有可能在未來進(jìn)一步加快碳化硅降本的步伐。綜上所述，可以預(yù)見，隨著技術(shù)進(jìn)步和市場需求的增加，碳化硅晶體制備領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)迎來新的發(fā)展機遇。

審核編輯：黃飛

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