目前碳化硅單晶的制備方法主要有：物理氣相傳輸法（PVT）；頂部籽晶溶液生長法（TSSG）；高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）。其中TSSG法生長晶體尺寸較小目前僅用于實驗室生長，商業化的技術路線主要是PVT和HT-CVD，與HT-CVD法相比，采用PVT法生長的SiC單晶所需要的設備簡單，操作容易控制，設備價格以及運行成本低等優點成為工業生產所采用的主要方法。

與傳統的半導體材料諸如Ge、Si、GaAs、InP可以用籽晶從熔體中生長晶體不同，常規壓力下不存在化學計量比的SiC，所以工藝上在合理的系統壓力下是不可能采用同成份熔體生長方法生長SiC晶體的。但SiC會在一個很高的溫度，大概1800-2000℃下升華，這是物理氣相傳輸法（PVT）中原料供應的關鍵物理過程。相圖顯示，當溫度達到2800℃以上時，在Si熔體中可以溶解不超過19%的碳，液相（溶液）生長法（TSSG）正是利用了這一現象。

Si-C二元系相圖

PVT法生長碳化硅的熱場原理如下圖所示，該方法主要包含三個步驟：SiC源的升華、升華物質的運輸、表面反應和結晶，該過程類似鍋蓋上的水蒸氣凝結過程。在準密閉的坩堝系統采用感應或電阻加熱，將作為生長源的固態混合物置于溫度較高的坩堝底部，籽晶固定在溫度較低的坩堝頂部。在低壓高溫下，生長源升華且分解產生氣態物質，生長源與籽晶之間存在溫度梯度，因而會形成的壓力梯度，這些氣態物質會由此被輸運到低溫的籽晶位置，形成過飽和，籽晶開始長大。

PVT法熱場結構圖

HTCVD方法的熱場結構如下圖所示，該方法中SiC晶錠生長在一個垂直結構的石墨坩堝中進行，其中前氣體由下向上輸運，經過一段加熱區后到達放置在頂端的籽晶夾具處，前體氣體采用經過稀釋的SiH4和C2H4、C3H8這樣的碳氫化合物。在加熱區域內部前體氣體完全分解并發生著數種反應，由于氣相中的高度過飽和，結果就是通過均勻相成核形成Si和SiC的團簇，這些團簇充當了在籽晶上生長SiC晶錠過程中實際上的源。

HTCVD熱場示意圖

下圖展示了TSSG法的熱場結構圖，一個石墨坩堝中充滿Si基熔體，籽晶放置在與熔體表面接觸處，籽晶的溫度略低于熔體的溫度，以此提供生長的驅動力，該方法存在若干難點：1、在大氣壓下，并不存在化學計量比比的液相SiC，并且即使在2800℃的高溫下，Si熔體中C的溶解度僅有19%，在這樣高的溫度下，由于Si很高的蒸汽壓，Si的蒸發會很顯著，使得晶體持續生長幾乎不可能，此外Si熔體/氣體會與熱場的石墨材料發生顯著反應，也成為長時間生長的另外一個挑戰。為解決這些問題，目前主要有高壓溶液生長法和基于參加金屬溶劑的溶液生長法。

TSSG法熱場示意

各種碳化硅長晶方法優缺點

碳化硅晶體生長領域國內長晶工藝比較成熟的公司主要有：山東天岳、天科合達、北電新材（三安集成）、河北同光、東尼電子、中電化合物、中電二所、中科鋼研等。

在碳化硅單晶生長設備制造領域，國外主要有德國PVA、日本日新技研、美國GT公司，國內具有批量生產經驗的公司有南京晶升、北方華創和天科合達，其中天科合達主要以自備為主，有小批量外售；北方華創采用PVT法的標準機型，加熱方式是感應加熱；南京晶升有標準機型也有定制機型，生長方式涉及PVT和TSSG等，加熱方式有中頻感應加熱和電阻加熱方式。

責任編輯：xj

原文標題：【行業知識】對于三種碳化硅制備方法的淺析

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