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一篇文章读懂物理气相传输法
发布时间:2017-03-04

1. 什么是物理气相传输法

物理气相传输法(Physical Vapor TransportPVT),即在高温区将材料升华,然后输送到冷凝区使其成为饱和蒸气,经过冷凝成核而长成晶体。

2. PVT法生长SiC晶体原理

使用PVT法生长SiC晶体时,使原料处于高温区,籽晶处于相对低温区,进而处于温度较高处的原料发生分解,不经液相态直接产生气相SiXCy物质(主要包含SiSi2CSiC2等),这些气相物质在轴向温度梯度的驱动下输运到籽晶处,在籽晶处形核、长大,最终结晶形成SiC单晶,如图1所示。SiC原料表面到籽晶之间的温度梯度是SiC晶体生长的驱动力,通常设计的温度梯度在5-20K/cm之间,温度梯度越高,到达籽晶表面气相物质的过饱和度就越高,SiC晶体的生长速度越快。但速度过快(如沿晶体生长方向速度达0.5mm/h以上),则晶体极容易产生异质晶型,导致晶体生长过程失败。


1. PVT法生长SiC晶体示意图

3. PVT法生长SiC晶体的问题与挑战

高质量SiC晶体/晶片是SiC半导体产业的核心基础,SiC半导体产业环节包含“SiC单晶衬底—外延片—芯片和封装—应用”,见图2。各产业环节均对SiC单晶片的杂质含量有较高要求,如SiC单晶片金属杂质含量高于1PPM,则不仅会对外延设备造成金属污染影响外延薄膜质量和重复性,同时也会对器件造成漏电流过大等不良影响。因此,PVT法生长SiC晶体面临的关键问题和挑战就是SiC晶体内杂质浓度的控制问题。


2. SiC产业环节示意

应用PVT法生长SiC单晶,通常的生长温度在2000以上,为避免引入杂质,理想的晶体生长坩埚材料和保温材料只能是石墨,但市场上销售的石墨材料含有一定量的杂质。采用何种方式对石墨材料进行再提纯处理,是PVT法生长SiC晶体时杂质控制的关键之一。此外,PVT法生长SiC晶体需要使用SiC原料。目前,市场上销售的SiC原料杂质含量近百PPM,如此高的杂质含量难以用于生长高纯度SiC晶体。因此,一些单位使用硅粉和碳粉,来自主合成高纯SiC原料,但合成的原料中仍然含有微量关键杂质,对生长的SiC晶体纯度造成影响。因此,PVT法生长SiC晶体过程中也面临高纯SiC原料获取的挑战。

4. PVT法生长SiC晶体的优势

SiC晶体生长方法主要有液相外延(LPE)法、高温化学气相沉积(HTCVD)法和物理气相传输(PVT)法,见图3

l LPE

晶体径向生长速度相对可控,可以实现无微管缺陷晶体生长,但使用的助溶剂对生长的SiC晶体造成严重污染,且晶体生长成本较高。

l HTCVD

生长晶体纯度较高、可实现近匀速晶体生长,但气相物质可同坩埚反应造成气相成分波动,影响生长晶体的质量,且晶体生长成本较高。

l PVT

晶体生长成本低,PVT法生长SiC晶体所用关键石墨部件可重复使用20次以上,极大降低了SiC晶体生长成本,这是PVT法生长的SiC晶体能够成功进入市场的基础。

温度场调节灵活,轴向温度梯度(原料表面同籽晶之间垂直梯度)是PVT法生长SiC晶体的驱动力,其大小可以直接调控晶体生长的过饱和度、影响晶体生长速度。此外,晶体生长过程中轴向温度梯度变化较大,也会造成晶体内应力过大。径向温度梯度(沿籽晶面半径方向梯度)的大小,直接影响晶体生长界面的凸凹程度,通常生长的SiC晶体具有微凸的界面为宜,这样不仅获得有效晶锭高度较大,而且晶体内部应力也会较小。PVT法生长SiC晶体可以根据要求,通过改变保温设计,获取理想的温度场,大为提高高质量晶体生长的工艺窗口和成品率。

PVT法是目前生长SiC晶体最为成熟的方法,生长出的SiC产品种类较多,在尺寸上分类有2346英寸等规格;在晶型上分类有4H-SiC6H-SiC规格;在导电性能分类有导电型、半绝缘型等规格。市场上销售的2-6英寸SiC单晶产品基本均是采用PVT法生产的。


3. SiC晶体生长方法示意图

5. PVT法已成为生长SiC晶体的主流

PVT法是产业上公认生长SiC晶体最为成熟的方法,已成为当之无愧的主流方法。应用PVT法生长的高质量SiC晶体,已广泛应用于光电领域、电力电子领域、微波射频领域,产品质量受到广泛好评。


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