The Principle of Silicon Carbide Crystal Growth
在自然界中，晶體不勝枚舉，其分布及應(yīng)用都十分廣泛。例如日常生活中隨處可見的鹽、糖、鉆石、雪花都是晶體；此外，半導(dǎo)體晶體、激光晶體、閃爍晶體、超硬晶體等晶體材料在工業(yè)、醫(yī)療、半導(dǎo)體及眾多科研領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用。
不同晶體材料之間的結(jié)構(gòu)、性能以及制備方法不盡相同，但其共通特點(diǎn)是晶體中的原子排列規(guī)則有序，在三維空間中通過周期性堆垛，組成特定結(jié)構(gòu)的晶格，因此晶體材料的外觀通常會(huì)呈現(xiàn)出整齊規(guī)則的幾何形狀。
碳化硅單晶襯底材料（Silicon Carbide Single Crystal Substrate Materials，以下簡稱SiC襯底）也是晶體材料的一種，屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有耐高壓、耐高溫、高頻、低損耗等優(yōu)勢(shì)，是制備大功率電力電子器件以及微波射頻器件的基礎(chǔ)性材料。
SiC單晶是由Si和C兩種元素按照1:1化學(xué)計(jì)量比組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，硬度僅次于金剛石。
C原子和Si原子都有4個(gè)價(jià)電子，可以形成4個(gè)共價(jià)鍵，組成SiC基本結(jié)構(gòu)單元——Si-C四面體，Si原子和C原子的配位數(shù)都是4，即每個(gè)C原子周圍都有4個(gè)Si原子，每個(gè)Si原子周圍都有4個(gè)C原子。
SiC襯底作為一種晶體材料，也具有原子層周期性堆垛的特性。Si-C雙原子層沿著[0001]方向進(jìn)行堆垛，由于層與層之間的鍵能差異小，原子層之間容易產(chǎn)生不同的連接方式，這就導(dǎo)致SiC具有較多種類的晶型。常見晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”順序進(jìn)行堆垛的結(jié)構(gòu)稱為4H晶型。雖然不同晶型的SiC晶體具有相同的化學(xué)成分，但是它們的物理性質(zhì)，特別是禁帶寬度、載流子遷移率等特性有較大的差別。其中，4H晶型各方面的性能更適合半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用。
生長溫度、壓力等多種因素都會(huì)影響SiC襯底的晶型穩(wěn)定性，因此想要獲得高質(zhì)量、晶型均一的單晶材料，在制備過程中必須精確控制如生長溫度、生長壓力、生長速度等多種工藝參數(shù)。
目前SiC晶體的生長方法主要有物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高溫化學(xué)氣相沉積法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已發(fā)展較為成熟，更適用于產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)的方法。
所謂PVT法，是指將SiC籽晶放置在坩堝頂部，將SiC粉料作為原料放置在坩堝底部，在高溫低壓的密閉環(huán)境下，SiC粉料升華，并在溫度梯度和濃度差的作用下向上傳輸至籽晶附近，達(dá)到過飽和狀態(tài)后再結(jié)晶的一種方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)SiC晶體尺寸和特定晶型的可控生長。
然而，使用PVT法生長SiC晶體需要在長時(shí)間的生長過程中，始終維持適宜的生長條件，否則會(huì)導(dǎo)致晶格紊亂，從而影響晶體的質(zhì)量。但SiC晶體的生長是在密閉空間內(nèi)完成的，有效的監(jiān)控手段少，變量多，因此工藝控制的難度較高。
在PVT法生長SiC晶體的過程中，臺(tái)階流動(dòng)生長模式（Step Flow Growth）被認(rèn)為是單一晶型穩(wěn)定生長的主要機(jī)制。氣化后的Si原子和C原子會(huì)優(yōu)先在kink點(diǎn)位置與晶體表面原子成鍵，在此處成核生長，從而使得各個(gè)臺(tái)階平行向前流動(dòng)。當(dāng)晶體表面產(chǎn)生臺(tái)階寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過吸附原子的擴(kuò)散自由程時(shí)，大量吸附原子就可能發(fā)生團(tuán)聚，形成的二維島狀生長模式會(huì)破壞臺(tái)階流動(dòng)生長模式，導(dǎo)致4H晶型結(jié)構(gòu)信息丟失，從而產(chǎn)生多型缺陷。因此，工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)要實(shí)現(xiàn)對(duì)表面臺(tái)階結(jié)構(gòu)的調(diào)控，以此抑制多型缺陷的產(chǎn)生，達(dá)到獲得單一晶型的目的，最終制備出高品質(zhì)的晶體。
當(dāng)然，制備高品質(zhì)的SiC襯底，晶體生長只是第一步，產(chǎn)品最終達(dá)到使用要求前，還需要經(jīng)過切割、研磨、倒角、拋光、清洗、檢測等一系列工序。SiC單晶作為一種硬脆材料，對(duì)于加工環(huán)節(jié)的技術(shù)要求也很高，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的損傷都有可能具備一定的遺傳性，傳遞到下一道工序，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此高效加工SiC襯底的技術(shù)也備受產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)界關(guān)注。
