碳化硅降本關鍵：晶體制備技術

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底是價值量最大的部分，在碳化硅器件成本構成中襯底甚至能夠占近50%，相比之下，硅基半導體器件的成本構成中，作為襯底的硅片一般只占不到10%。

成本占比較高的原因，主要是碳化硅單晶材料的制備難度較大。硅由于存在液體形態(tài)，所以可以通過垂直拉伸來形成晶棒，但碳化硅本身屬于化合物，無法直接熔融結晶成為晶體。換個說法就是碳化硅在常壓下沒有液體形態(tài)，只有氣態(tài)和固態(tài)，達到一定溫度后就直接從固體升華成氣體，也就無法與硅晶棒一樣用直拉法制備。

那么要如何制造碳化硅晶體呢？這就要從碳化硅單晶的制造說起。自1885年美國化學家Edward Goodrich Acheson首次通過焦炭和硅石（石英砂、石英巖等）混合后在電熔爐中加熱獲得了碳化硅后，碳化硅制備就在很長時間里都是單純采用多種材料混合加熱的方式，生成的晶體雜質(zhì)較多，直徑較小，主要用于工業(yè)磨料等。

到了1955年，飛利浦實驗室的 Lely發(fā)明了碳化硅的升華生長法(或物理氣相傳輸法，即 PVT 法)，能夠制備出純凈的碳化硅單晶。這種方法用石墨坩堝作為容器，采用碳化硅粉晶作為原材料，采用多孔石墨在石墨坩堝中心隔離出一個空的區(qū)域，生長時導入Ar和H2 氣體，然后將石墨坩堝加熱到2500℃，多孔石墨和石墨坩堝之間的碳化硅粉料就能夠升華分解成硅和碳氣相物質(zhì)，并通過多孔石墨被氣體帶入中間的空心區(qū)域，并生長成碳化硅單晶。

在此之后，又經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前碳化硅晶體生長主要有三種方式。

PVT物理氣相傳輸法

這是目前最為普遍的制備碳化硅單晶方式，大部分正在大規(guī)模出貨SiC襯底的廠商都采用了PVT法來進行晶體生長。首先是晶體生長的原料合成，這個過程是將高純硅粉和高純碳粉按一定配方混合，在2000℃以上的高溫條件下，在反應腔室內(nèi)通過特定反應工藝，去除反應環(huán)境中殘余的、反應微粉表面吸附的痕量雜質(zhì)，使硅粉和碳粉按照既定化學計量比反應合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工序，制得滿足晶體生長要求的高純度碳化硅粉原料。每一批進行取樣測試純度、顆粒度等。

下一步是碳化硅單晶生長，目前的PVT法主要是在接近真空的密閉生長室腔內(nèi)，通過感應加熱的方式將碳化硅粉料加熱到2300攝氏度以上，使其升華產(chǎn)生Si、Si2C、SiC2等多種氣相組分的反應氣體，并在生長腔室頂部的碳化硅籽晶表面形成原子沉積，逐漸生長為碳化硅單晶。

當然在這個過程中，有很多參數(shù)需要進行穩(wěn)定控制，作為一個系統(tǒng)，不同參數(shù)的細微變動，比如控制生長溫度、溫度梯度、生長面、料面間距和生長壓力等，都可能會導致最終生長出的晶體晶型改變，或是結晶缺陷。至于如何控制生長室腔內(nèi)熱場和溫度梯度等參數(shù)，就是各家襯底廠商的KnowHow了，這也是很多襯底廠商具備自研單晶爐能力的原因。

不過PVT法生長SiC單晶的速度太慢了，一般生長出20mm厚的晶體需要7天時間，而生產(chǎn)1~3米長的硅晶棒只需要一天時間。

HTCVD高溫化學氣相沉積法

HTCVD法實際上與PVT法類似，是在CVD化學氣相沉積法的基礎下進行改進。這種碳化硅單晶生長方法是利用硅烷（SiH4）和碳氫化合物（比如C2H4、C3H8）氣體為晶體生長提供Si和C，在石墨坩堝中，氣體從底部進入坩堝，在2100~2300℃的加熱區(qū)中反應生成Si和SiC，這些反應生成的氣體在坩堝上方旋轉的籽晶上生成碳化硅晶體。

HTCVD法的碳化硅晶體生長速度相對PVT而言較快，可以達到每小時0.3mm~0.6mm。在2020年超芯星就宣布國內(nèi)首臺HTCVD碳化硅單晶生長設備研制成功，未來也有機會成為大尺寸碳化硅晶體的重要生長方法之一。

液相法

液相法其實是一種誕生較早的碳化硅晶體制備方法，在20世紀60年代甚至要相比PVT法更受歡迎，不過由于PVT法在70年代后取得突破，從而逐漸成為主流技術。如今因為PVT技術在大尺寸SiC晶體以及降低制造成本的問題上遭遇瓶頸，液相法又成為業(yè)界正在攻克的方向，

液相法是使用石墨坩堝，通過在熔融純硅中加入助溶劑，加大其對碳的溶解度，在靠近石墨坩堝壁處溫度較高，石墨坩堝中的碳溶解到熔融的硅中，而處于坩堝中心的碳化硅籽晶溫度較低，籽晶位置的熔融硅對碳的溶解度降低，這個時候原本的碳飽和溶液就會在籽晶附近形成過飽和溶液。而硅溶液中過飽和的碳結合溶液中的硅就能在籽晶表面外延生長碳化硅晶體，同時溶液中的碳析出后，溶液繼續(xù)回流到石墨坩堝壁，繼續(xù)溶解碳，以此循環(huán)。

根據(jù)人工晶體學報的資料，液相法制備SiC目前主要面臨四個方面的問題。首先是需要平衡生長速率和結晶質(zhì)量，如果生長速率太大，會容易出現(xiàn)多種嚴重影響結晶質(zhì)量的缺陷，嚴重時可能引起晶體開裂。

目前液相法的工藝中會以高純石墨坩堝作為容器的同時，還作為SiC晶體生長中C元素的來源，而隨著晶體的生長，坩堝內(nèi)壁也會不斷被腐蝕，從而可能影響晶體生長的環(huán)境。因此如何建立持續(xù)穩(wěn)定的晶體生長條件就非常關鍵。

由于生長溫度高，測試難度大，在液相法生長SiC單晶的過程中，對高溫溶液的凝固點、表面張力、黏度等熱力學參數(shù)還未明確。因此未來研究以及掌握這些參數(shù)以及控制這些參數(shù)的方式是液相法制備SiC進一步發(fā)展的重要方向。

去年7月，天岳先進宣布采用液相法制備出了低缺陷的8英寸晶體，通過熱場、溶液設計和工藝創(chuàng)新突破了碳化硅單晶高質(zhì)量生長界面控制和缺陷控制難題，在業(yè)界屬于首創(chuàng)。同時國內(nèi)還有晶格領域半導體等公司在液相法制備碳化硅領域進行研究，并已經(jīng)生產(chǎn)出6英寸的碳化硅晶體。海外方面，日本在液相法方面也投入了大量資金研究，包括名古屋大學、東京大學、住友、豐田、OXIDE等大學和公司都在進行研發(fā)，在全球范圍內(nèi)較為領先。

小結：

目前碳化硅晶體制備效率較低，是碳化硅襯底價格居高不下的主要原因。不過隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，量產(chǎn)規(guī)模增長，以及制備晶體的方法逐步改進，特別是液相法持續(xù)推進商業(yè)落地，蔚來碳化硅降本的節(jié)奏將繼續(xù)加速。