拆解PVT生长碳化硅的技术点

产业化的碳化硅晶体的生长方法为物理气相输运（PVT）法，高温化学气相沉积（HTCVD）法为补充。物理气相输运法的核心步骤为：

1. 碳化硅固体原料；

2. 加热后碳化硅固体变成气体；

3. 气体移动到籽晶表面；

4. 气体在籽晶表面生长为晶体。

看似简单的四步，实际上，蕴含了大量的技术难点。为了全面的分析技术点，与科学研究中分析创新点的方法类似，可以使用结构分析：

结构=｛概念，关系｝

概念至少包括=｛碳化硅，粉体，原料，升华，气体，籽晶，温度，加热，晶体｝

还有里面蕴含着的概念：比如「变化」必然蕴含「时间」；比如温度必然蕴含「加热、恒温、降温」，并且可以扩展为控温程序；「碳化硅+晶体」更是代表了至少4英寸的4H-SiC，并且缺陷低，更进一步，缺陷又可以分为点线面体。

由此，可以绘制基本的结构图：

针对其中一小个概念，可以将其与其他概念进行联系，甚至与想不到的概念进行联系；由此产生新的技术。

比如，现在的碳化硅晶体生长的几大关键技术：

下面将详细介绍其中的几种技术。

籽晶是放置于装置「顶部」的，那必然要「连接」到「某种物质」上。

由于，坩埚选用石墨，那最方便的肯定是连接到石墨上。但是，石墨的热膨胀系数大，等静压石墨籽晶托与籽晶的热膨胀系数不匹配，造成会基平面弯曲。可能的应对方法，是改变「某种物质」，比如在石墨与籽晶之间添加多晶SiC缓冲层，甚至多层单晶SiC籽晶。

没看明白技术点的变化？你可以再看看第一句描述技术的语句：籽晶是放置于装置「顶部」的，那必然要「连接」到「某种物质」上。

1. 「顶部」：顶部是隶属于概念「位置」的。是不是必须是顶部，放底下、放壁上会不会更好？

2. 「连接」：连接可以往下演绎——连接的类型有螺纹连接、键连接、销连接、铆钉连接、焊接、胶结、过盈配合连接、型面连接等。

3. 「某种物质」：石墨？碳化硅？氮化硼？金刚石？单晶？多晶？甚至，混合物？

提出技术点，之后是模拟或者实验进行验证，反复地实践是检验真理的唯一方式。

多型相变控制技术

碳化硅常见多型包括4H、6H、15R。15R与4H、15R与6H是晶格失配，易产生裂纹。但是，生长中包括两类问题：4H晶体生长，易出现6H、15R杂相；6H晶体生长，易出现15R杂相。

可能的机理分析：(0001)面的平面区过大，新生成的SiC层容易采用不同于上一层的堆叠方式，造成c方向堆叠的不延续，出现随机性。降低平面区大小，形成更多的台阶，这样至少短期内是没有新层出现，或者说减少新层同时出现的区域。

可能的应对方法：方案1.调节气氛。氮气气氛能够构筑更多的台阶。方案2.籽晶处理。（001）晶面偏4°生长。同样用于层错缺陷控制技术。

其实，这里叫做多型相变控制技术，其实是从结果出发的。

技术点有两个方向：一是关注可控的事物，一是关注结果。改变可控的事物，这就是技术；而技术展现后，实现结果。这里，也可以拆解为两个技术：气氛类型控制技术，以及籽晶方向控制技术。一般，实现一个结果需要多种技术的综合；但是，可能一个技术实现了多种需要的结果。

比如，籽晶的引入，使得Lely法升级为物理气相输运法，开创了碳化硅单晶的工业化。不但扩大了碳化硅单晶的尺寸，也增加了碳化硅单晶的质量

抑制位错密度技术

可能的应对方法：第一种方法是在晶体生长过程中避免位错产生：使用液相法、重复a面生长法；第二种方法是进行后处理：高温退火。

层错缺陷控制技术

可能的应对方法：方案1.籽晶（001）晶面偏4°生长。；方案2.掺杂晶体的层错远高于非故意N掺杂晶体，不进行故意掺杂。

消除微观包裹物技术

通过腐蚀后raman测试，包裹物主要是碳包裹；产生原因是原料生成石墨气体。可能的应对方法：在原料上添加Ta层，用来生成TaC，以此过滤。因为生成的TaC的密度为14.3g/cm3，大大于C的密度2.2 g/cm3。

半绝缘碳化硅的碳空位缺陷补偿技术

杂质对电导率有影响：高于950℃不能保持半绝缘特性。因此，杂质补偿半绝缘和高纯半绝缘有区别，表观电学性能一致，但高温下不行。杂质的原因主要是PVT的原料是固体，只有4N、5N；而HTCVD的原料是气体，能达到9N。

因为GaN加工工艺在1100℃，而碳空位缺陷补偿的半绝缘能耐受1200℃高温，导电性不变化。碳空位样品热稳定性好（1400℃），比硅空位样品热稳定性好（350℃），所以使用Vc空位补偿浅能级杂质。

彭同华博士（天科合达）碳化硅晶体生长、加工技术报告

刘学超研究员（上硅所）碳化硅晶体精确掺杂控制与性能调控报告

杨昆博士（河北同光）高品质SiC晶体生长技术研究报告