中科院博士分享：电阻法制备8英寸SiC晶体的关键技术丨小饭局回顾

作为第三代半导体材料，碳化硅正成为行业研究的热点，其具有大禁带宽度、高击穿电场、高饱和电子漂移速度、高热导率、高抗辐射等特点，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。但在生产上仍面临晶体生长良率低、重复性差、规模化量产困难等诸多难题。

6月26日晚，我们特别邀请了优晶光电研发负责人陈建明博士做客小饭局，以“第三代半导体东风在即，电阻法能否突破8英寸SiC量产难题？”为主题，与大家共同探讨电阻法碳化硅晶体制备与关键技术。小饭桌就部分精彩内容做了不修改原意的整理，以飨读者:

第三代半导体核心材料SiC的主要应用方向与衬底制备

碳化硅衬底可以分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底。

半绝缘型碳化硅衬底主要应用在5G基站、雷达等领域；导电型碳化硅衬底主要应用在新能源汽车（主逆变器等）、充电桩、电源等方面。

碳化硅产业链环节极长，衬底制备是碳化硅产业链中最关键、难度最高的环节。

在衬底制备环节中，晶体生长又是最困难的步骤。晶体生长质量与热场结构的合理性、设备总体稳定性、籽晶处理良率、晶体生长工艺等密切相关。

碳化硅晶体生长方法与影响参数

SiC单晶生长方法有物理气相传输法（PVT法） 、液相法（LPE法）、高温化学气相沉积法（HTCVD法）等。其中PVT法技术成熟度最高，也是目前碳化硅产业化普遍采用的方法。

PVT法碳化硅长晶设备有两种加热方式，即感应加热法和电阻加热法。

感应加热法是目前国内外生长SiC晶体的主流工艺，其原理是使石墨坩埚产生涡流发热，给包括坩埚在内的整个热场加热，坩埚是温度最高的部件。

电阻加热法是未来生长大尺寸SiC晶体的主流工艺，它将石墨发热体通电产生热量，给包括坩埚在内的整个热场加热，石墨发热体是温度最高的部件。

SiC晶锭的生长条件极其苛刻，需要控制许多工艺参数，如C/Si比、生长速率、温度梯度、气压等，以避免出现诸如晶体堆垛层错、微管、位错包裹体等缺陷。

碳化硅晶体生长的温度很高，通常在2200℃左右。加热体通过电流产生热量以热辐射的形式传至坩埚外壁，坩埚又分别通过热传导和热辐射的形式将热量传至原料和晶体，坩埚内部的温度梯度控制起来非常困难。

碳化硅单晶品质跟温场的分布直接相关，温度及温度梯度直接决定了腔室内气体组分的密度和传输方向，并影响SiC的生长形态和生长速率。

感应法与电阻法的热场结构对比

感应法热场结构，通过坩埚外部的感应线圈对内部磁场进行加热，从坩埚特别是坩埚外壁开始发热，坩埚侧部的温度很高，热场径向的温度梯度较大。感应线圈与坩埚之间相隔石英罩、保温层等，距离较远，辐射面积分散，很难精确控制水平方向坩埚表面的发热量。

电阻法热场结构，单独设置了加热器，加热器距坩埚较近，通过调节加热器可以更加精准地控制坩埚表面的温度。晶体直径越大，径向梯度调节越难，电阻法设备本身的径向梯度较小，更适合生长大尺寸晶体。

对于8英寸或更大面积的SiC晶体，单个加热器并不能达到加热要求，需要设置多个独立的加热器以满足需求。

感应法热场结构在添加多个加热线圈时，磁场可能会互相交叉干扰，导致磁场和热量不容易按照设计的目的进行分布，影响加热效果。电阻加热法长晶设备则更容易设计多段独立控制加热系统，满足大尺寸晶体生长需要。

电阻法热场还具有轴向温梯可控、径向温梯易调、等温线平缓，生长速度快，长晶周期短，晶体生长界面近似平面等优点，这能增加晶体有效利用厚度，降低SiC单晶内部应力，同时增加了晶片加工的良品率。

除此之外，电阻法热场对腐蚀有更高的容忍度，可以使用更多的炉次，使用寿命更长。

8英寸SiC晶体生长的关键技术

8英寸碳化硅量产的最基础条件就是籽晶处理工艺，籽晶处理工艺分为两种，籽晶粘接工艺和籽晶悬挂工艺。

籽晶粘接工艺籽晶处理工艺复杂、籽晶带来的应力大、固定资产投资大、籽晶处理成本高、边缘多晶相对更容易控制；籽晶悬挂工艺籽晶处理工艺简单，更加可控、籽晶带来的应力小、固定资产投资小、籽晶处理成本低、但是边缘多晶更难控制。

两种籽晶处理工艺各有优缺点，对于8英寸碳化硅的晶体生长选用哪种工艺还没有定论，关键还是要看晶体生长的良率。

另外则是要解决晶体的宏观缺陷与微观缺陷。

宏观缺陷包括由于籽晶烧穿、边缘过冷与过热、位错累积，而导致的开裂、多晶、多型等问题。

微观缺陷则有籽晶遗留、硅碳比例、气流稳定性、位错累积与演化导致的六方孔洞、位错，籽晶遗留、硅碳比例（晶体生长前期）问题造成的微管，以及由于硅碳比例、碳粉尘（晶体生长后期）而形成的包裹体等。

目前国内大部分同行的8英寸技术处于解决宏观缺陷阶段，少部分处于解决微观缺陷阶段。

另外，相同重量的前提下，接近平面的界面，晶体具有更高的材料利用率、更低的内部应力。电阻法更容易获得接近平面的晶体生长界面。

解决完以上问题，还可以通过增加装料量、延长晶体生长时间，增加原料的反应比例，调节炉子在晶体生长过程中坩埚的温度梯度等方法增加晶体厚度。在晶体厚度增加的同时，不能大幅增加晶体内部的应力，确保晶体生长后期的内部品质。