The Principle of Silicon Carbide Crystal Growth
在自然界中,晶体不胜枚举,其分布及应用都十分广泛。例如日常生活中随处可见的盐、糖、钻石、雪花都是晶体;此外,半导体晶体、激光晶体、闪烁晶体、超硬晶体等晶体材料在工业、医疗、半导体及众多科研领域也发挥着重要的作用。
不同晶体材料之间的结构、性能以及制备方法不尽相同,但其共通特点是晶体中的原子排列规则有序,在三维空间中通过周期性堆垛,组成特定结构的晶格,因此晶体材料的外观通常会呈现出整齐规则的几何形状。
碳化硅单晶衬底材料(Silicon Carbide Single Crystal Substrate Materials,以下简称SiC衬底)也是晶体材料的一种,属于宽禁带半导体材料,具有耐高压、耐高温、高频、低损耗等优势,是制备大功率电力电子器件以及微波射频器件的基础性材料。
SiC单晶是由Si和C两种元素按照1:1化学计量比组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料,硬度仅次于金刚石。
C原子和Si原子都有4个价电子,可以形成4个共价键,组成SiC基本结构单元——Si-C四面体,Si原子和C原子的配位数都是4,即每个C原子周围都有4个Si原子,每个Si原子周围都有4个C原子。
SiC衬底作为一种晶体材料,也具有原子层周期性堆垛的特性。Si-C双原子层沿着[0001]方向进行堆垛,由于层与层之间的键能差异。硬阒淙菀撞煌牧臃绞,这就导致SiC具有较多种类的晶型。常见晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等,其中,按照“ABCB”顺序进行堆垛的结构称为4H晶型。虽然不同晶型的SiC晶体具有相同的化学成分,但是它们的物理性质,特别是禁带宽度、载流子迁移率等特性有较大的差别。其中,4H晶型各方面的性能更适合半导体领域的应用。
生长温度、压力等多种因素都会影响SiC衬底的晶型稳定性,因此想要获得高质量、晶型均一的单晶材料,在制备过程中必须精确控制如生长温度、生长压力、生长速度等多种工艺参数。
目前SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中,PVT法是已发展较为成熟,更适用于产业化批量生产的方法。
所谓PVT法,是指将SiC籽晶放置在坩埚顶部,将SiC粉料作为原料放置在坩埚底部,在高温低压的密闭环境下,SiC粉料升华,并在温度梯度和浓度差的作用下向上传输至籽晶附近,达到过饱和状态后再结晶的一种方法。该方法可以实现SiC晶体尺寸和特定晶型的可控生长。
然而,使用PVT法生长SiC晶体需要在长时间的生长过程中,始终维持适宜的生长条件,否则会导致晶格紊乱,从而影响晶体的质量。但SiC晶体的生长是在密闭空间内完成的,有效的监控手段少,变量多,因此工艺控制的难度较高。
在PVT法生长SiC晶体的过程中,台阶流动生长模式(Step Flow Growth)被认为是单一晶型稳定生长的主要机制。气化后的Si原子和C原子会优先在kink点位置与晶体表面原子成键,在此处成核生长,从而使得各个台阶平行向前流动。当晶体表面产生台阶宽度远远超过吸附原子的扩散自由程时,大量吸附原子就可能发生团聚,形成的二维岛状生长模式会破坏台阶流动生长模式,导致4H晶型结构信息丢失,从而产生多型缺陷。因此,工艺参数的调节要实现对表面台阶结构的调控,以此抑制多型缺陷的产生,达到获得单一晶型的目的,最终制备出高品质的晶体。
当然,制备高品质的SiC衬底,晶体生长只是第一步,产品最终达到使用要求前,还需要经过切割、研磨、倒角、抛光、清洗、检测等一系列工序。SiC单晶作为一种硬脆材料,对于加工环节的技术要求也很高,各生产环节中产生的损伤都有可能具备一定的遗传性,传递到下一道工序,最终影响产品质量,因此高效加工SiC衬底的技术也备受产业、学术界关注。