第三代半導(dǎo)體材料SiC晶體生長設(shè)備技術(shù)及進(jìn)展分析

楊茜

摘要：半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展需要以半導(dǎo)體材料作為支撐，而在不斷的發(fā)展過程中，半導(dǎo)體材料先后經(jīng)過了多次演變，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的是第三代半導(dǎo)體材料，其典型代表包括氮化鎵（GaNg）、氧化鋅（ZnO）、金剛石以及碳化硅（SiC），相比較前兩代材料，第三代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度更大、導(dǎo)熱率更高、抗輻射能力更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更好地電子濃度以及運(yùn)動(dòng)控制。本文以SiC為例，對(duì)其晶體生長設(shè)備技術(shù)及研究進(jìn)展進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：第三代半導(dǎo)體材料;SiC;晶體生長設(shè)備;技術(shù)

前言：半導(dǎo)體材料發(fā)展過程中，先后經(jīng)歷了以硅（Si）為代表的第一代，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代以及以碳化硅（SiC）為代表的第三代，對(duì)比第一代和第二代半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料SiC的性能更加優(yōu)越，應(yīng)用領(lǐng)域更廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性更大，被廣泛的應(yīng)用在移動(dòng)通信、智能電網(wǎng)、太陽能、新能源汽車等領(lǐng)域，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定健康發(fā)展有著非常積極的作用。

1 SiC晶體的特性

SiC本身是由石英砂、煤焦、木屑等在電阻爐內(nèi)高溫冶煉得到，是一種無機(jī)物，自然界中同樣存在。SiC具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)小，可以制作高級(jí)耐火材料，耐熱性好，強(qiáng)度高且自重輕，有著良好的節(jié)能效果。低品級(jí)SiC（SiC含量85%左右）具備良好的脫氧性，可以加快煉鋼的速度，方便對(duì)鋼材的化學(xué)成分進(jìn)行控制，促進(jìn)其質(zhì)量的提高平。不僅如此，SiC還可以被應(yīng)用到電熱元件硅碳棒的制作中。

SiC的應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)在幾個(gè)方面：分別是功能陶瓷、高級(jí)耐火材料、磨料、冶金材料，當(dāng)前，SiC粗料已經(jīng)得到了大量供應(yīng)，但是其本身并不屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，技術(shù)含量較高的納米級(jí)SiC粉體在短時(shí)間內(nèi)，依然無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。以“三耐”材料為例，憑著SiC本身耐腐蝕、耐高溫和抗沖擊等特性，可以用于冶煉爐襯以及碳化硅板、襯板等，也可以用于有色金屬冶煉中的高溫間接加熱材料，如豎罐蒸餾爐、精餾爐塔盤、鋁電解槽等

在對(duì)SiC晶體進(jìn)行制備的過程中，可以采用的方法包括高溫化學(xué)氣象沉積法、物理氣象輸運(yùn)法以及液相法等，其中最為常見的是物理氣象輸運(yùn)法，其基本原理，是利用中頻感應(yīng)圈，對(duì)高密度的石墨發(fā)熱體進(jìn)行加熱，石墨坩堝底部填充碳化硅原料，相隔一定距離設(shè)置碳化硅籽晶，整體放入石墨發(fā)熱體中，通過外部石墨氈來對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)看主機(jī)hi，確保氧化硅原料能夠處于高溫區(qū)，碳化硅籽晶則處于低溫區(qū)。通過這樣的方式，碳化硅原料在分解后形成的氣相組分會(huì)向低溫區(qū)輸送，圍繞碳化硅籽晶逐漸生長成為碳化硅晶體。

2 SiC晶體生長設(shè)備技術(shù)

SiC晶體生長設(shè)備要求能夠滿足“改進(jìn)升華法”（見圖1）的技術(shù)要求，將外延生長的工藝需求考慮在內(nèi)。

SiC晶體生長對(duì)于很多條件都有著嚴(yán)苛的要求，最為核心的工藝參數(shù)包括隔熱性強(qiáng)、密封性好以及工作溫度高（2000-2500℃）等，加熱設(shè)備需要選擇中頻電源感應(yīng)加熱，提升溫度控制的效果，同時(shí)選擇高溫密封和高效冷卻系統(tǒng)，在整個(gè)晶體生長過程中，都必修切實(shí)做好加熱溫度的測(cè)量和控制。

SiC晶體生長設(shè)備包含了多個(gè)子系統(tǒng)，分別是SiC晶體生長室、坩堝加熱、溫度控制、真空測(cè)量、氣體供給與過濾、籽晶桿運(yùn)動(dòng)及控制以及水冷系統(tǒng)。

3 SiC晶體生長設(shè)備技術(shù)進(jìn)展

3.1國際進(jìn)展

作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，SiC晶體生長設(shè)備技術(shù)在很多國家都得到了足夠的重視，研究處于國際前列同時(shí)形成一定生產(chǎn)規(guī)模的包括德國的SiCrystal公司、美國的Dow Corning公司、日本的Nippon Steel公司等，其產(chǎn)品以LED、微波器件、電力電子器件等為主。不過，這些公司從保護(hù)自身技術(shù)的角度，并沒有面向市場提供相應(yīng)的SiC晶體生長設(shè)備，在可以查閱到的公開文獻(xiàn)中，很難看到相關(guān)報(bào)道，而向市場提供SiC晶體生長設(shè)備的廠商主要是德國AIXTRON 公司、PVA Tepla公司、Linn公司和美國的GTAT公司等。

不過，國外生產(chǎn)的設(shè)備普遍存在著價(jià)格偏高的問題，而且設(shè)備生產(chǎn)商本身并不會(huì)針對(duì)SiC晶體生長工藝進(jìn)行研究，同時(shí)SiC晶體生長工藝對(duì)于設(shè)備又有著極強(qiáng)的依賴性，設(shè)備生長工藝參數(shù)會(huì)直接影響SiC晶體的質(zhì)量?；诖?，即便引入了國外先進(jìn)的設(shè)備，依然需要加強(qiáng)對(duì)于SiC晶體生長工藝的自主研究，這樣才能得到高質(zhì)量的SiC晶體材料。

3.2國內(nèi)進(jìn)展

我國從20世紀(jì)60年代開始，就已經(jīng)借助物理氣象輸運(yùn)法嘗試進(jìn)行SiC晶體生長實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)成果并不理想，無法得到高質(zhì)量大尺寸的SiC晶體。1996年，國家在“863”計(jì)劃中納入了SiC晶體生長項(xiàng)目，2000年國家自然科學(xué)基金也提供了相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)支持，推動(dòng)了相關(guān)研究的快速發(fā)展。就目前而言，我國很多單位在SiC晶體生長研究以及產(chǎn)業(yè)化方面都取得了顯著成果，以山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為例，在從國外引進(jìn)先進(jìn)SiC晶體生長設(shè)備的基礎(chǔ)上，又自主研發(fā)了相應(yīng)的SiC晶體生長爐，經(jīng)過十?dāng)?shù)年的研究，于2011年，實(shí)現(xiàn)了SiC晶體重大項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?，F(xiàn)如今，山東大學(xué)晶體材料實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以利用自主研發(fā)的SiC晶體生長爐，得到2英寸、3英寸和4英寸的導(dǎo)電型及半絕緣型晶體，生產(chǎn)出的SiC晶體在市場上進(jìn)入了批量銷售的階段。

中科院物理研究所同樣從1999年就已經(jīng)開始了對(duì)于SiC晶體生長技術(shù)的研究，開發(fā)出了SiC晶體生長爐，并于2006年和天富熱電合作，成立了北京天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體有限公司，開始了產(chǎn)業(yè)化探索的腳步，借助自主研發(fā)設(shè)備，生產(chǎn)出了2英寸SiC單晶襯底，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，之后相繼研發(fā)成功了3英寸和4英寸的SiC單晶襯底，同樣進(jìn)入到了批量銷售階段。2014年底，中科院物理研究所的研究人員與北京天達(dá)公司達(dá)成協(xié)議，借助自主研發(fā)的SiC晶體生長爐，完成了對(duì)于6英寸SiC晶體的加工。SiC晶體生長爐的核心技術(shù)參數(shù)如下：C2B4DA29-871B-4B2E-8EE5-BDB310238F3A

爐內(nèi)真空度：在極限條件下，SiC晶體生長爐內(nèi)部的真空度最高可以達(dá)到6.6×10-4Pa;

系統(tǒng)漏率：在停泵關(guān)機(jī)時(shí)間超過12h的情況下，爐內(nèi)的真空度在10Pa以下;

系統(tǒng)抽速：開機(jī)60min以內(nèi)，真空度不超過2×10-3Pa;

爐體快提拉速度連續(xù)升降可調(diào)：超過50mm/min（含）;

坩堝快提拉速度連續(xù)升降可調(diào)：超過50mm/min（含）;

坩堝轉(zhuǎn)速：0-30r/min;

溫度測(cè)量控制范圍：1000℃-2600℃;

溫度控制精度范圍：±1℃。

另外，西安理工大學(xué)、中科院上海硅酸鹽研究所以及中國電子集團(tuán)等單位也在不斷進(jìn)行SiC晶體生長設(shè)備的自主研發(fā)，對(duì)于相關(guān)技術(shù)的研究從未停止，中科院上海硅酸鹽研究所研發(fā)出的SiC晶體生長設(shè)備在配合50.8mm和76.2mm直徑的SiC單晶生長技術(shù)的情況下，成功生產(chǎn)出了100mm直徑的4H型SiC單晶。

針對(duì)我國多家研究機(jī)構(gòu)自主研究的SiC晶體生長設(shè)備以及得到了SiC單晶產(chǎn)品進(jìn)行分析，其在尺寸、質(zhì)量等方面，相比較國際先進(jìn)水平依然存在有不小的差距，以全球SiC晶體龍頭企業(yè)Gree公司為例，其本身在國際SiC基片市場中，占據(jù)了較高份額，而結(jié)合該公司在“ICSCRM 2013”國際SiC學(xué)會(huì)上發(fā)布的內(nèi)容分析，截止2013年，使用6英寸產(chǎn)品功率元件的微管密度通常單個(gè)體積在1cm2以下，平均水平可以達(dá)到0.5cm2，最佳狀態(tài)甚至能夠達(dá)到0.01cm2，而我國的產(chǎn)品最佳狀態(tài)只能達(dá)到0.19cm2。

結(jié)語

總而言之，伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于半導(dǎo)體材料的研究也受到了相關(guān)部門的重視。從技術(shù)層面分析，我國在寬帶半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，距離國際領(lǐng)先水平依然存在一定差距，分析原因，一方面是因?yàn)槲覈谙嚓P(guān)技術(shù)方面額研究起步較晚，另一方面則是國外掌握高端技術(shù)的企業(yè)禁止設(shè)備和技術(shù)外銷。面對(duì)第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展中存在的各種問題，科研機(jī)構(gòu)需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于SiC晶體生長技術(shù)及設(shè)備的研究，注重設(shè)備的自主研發(fā)工作，將SiC晶體生長工藝與生長設(shè)備緊密結(jié)合起來，推動(dòng)技術(shù)的完善和設(shè)備的優(yōu)化，逐步實(shí)現(xiàn)SiC晶體生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]邢根源.SiC單晶生長設(shè)備熱場設(shè)計(jì)及仿真分析[D].吉林大學(xué)，2020..

[2]李留臣.晶體要發(fā)展 設(shè)備是關(guān)鍵——記陳創(chuàng)天院士對(duì)人工晶體生長設(shè)備的關(guān)心與重視[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2019，48（10）：1859..

[3]康宏.泡生法晶體生長設(shè)備控制系統(tǒng)的研究[D].西安理工大學(xué)，2018.

[4]解亞軍 微波合成SiC晶體的工藝研究[D].鄭州大學(xué)，2016.C2B4DA29-871B-4B2E-8EE5-BDB310238F3A