SiC晶体生长工艺装备

SiC晶体生长工艺装备

一、SiC晶体生长工艺装备发展现状

由于SiC具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、化学性能稳定、高硬度、抗磨损等特点，使得它在军用和航天领域的高温、高频、大功率光电器件方面具有优越的应用价值。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能坚持到150℃。因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si器件难以胜任的场合。

目前SIC半导体材料发展十分迅速，总的发展趋势是晶体大直径、大尺寸化，向高纯无缺陷发展。6H和4H单晶片实现了商品化，3英寸（直径≥76.2mm）是主流产品，4英寸也有少量供应。4H-SiC 上的微管缺陷密度显著减小，n型4H-SiC的极低微管缺陷晶片上微管密度可接近0cm-2。

SiC材料的生长需要特殊的工艺装备。目前这些工艺装备的技术主要掌握在美日欧三方手中。这些发达国家和地区已对SiC 生长设备进行了持续的研究，积累了宝贵的经验。特别是美国，技术最成熟，凭借着先进的技术，不断研制基于SiC基的新军事电子产品，目前在航空、航天、军舰、卫星、深海等方面都得到了实际的应用，得以使其继续在全球军事电子领域保持领先地位。欧盟和日本也紧随其后，投入大量的人力和财力进行追赶。

美国Cree公司是世界上能够商业化提供SiC 产品最大的公司，占全球市场90%以上，其在工艺装备方面的技术先进、成熟稳定，领先世界水平，但受政策影响，技术处于绝对保密之中。

欧洲SiC晶体生长工艺装备的设备制造商集中在德国、瑞典和英国，目前主要生产以3“直径为主的工艺装备，但为了追赶世界先进水平，已开始进行4” SiC晶圆工艺装备的研发。

无论是美国、欧洲还是日本，其晶体生长工艺装备都是军方在三代半导体方面要重点发展的方向之一，长期得到国家的支持和投入，如美国海军、陆军、空军、美国国家航空航天局（NASA ）、弹道导弹防卫局和国防预研局、几乎美国国防部所有部门都将SiC技术研究列入了各自军事系统发展规划。其中SiC晶体生长工艺装备是重要的组成部分，美军正是凭借其在碳化硅装备方面的强大实力，在军事电子方面继续拉大与其他国家的距离。

国内碳化硅研究始于2000年前后，基本都是在Si晶圆研究的基础上进行一些理论性的研究，工艺装备也是在原有的Si晶圆的工艺装备基础上进行了部分改造，研究进展缓慢，装备的缺乏已成为国内SiC项目研究的瓶径。近些年有些研究机构通过各种渠道引进了部分国外发达国家的工艺装备，但价格高昂，所引进设备的技术也不属于前沿技术，并且在引进过程中，对引进单位也有条款上的种种制约，限制了SiC项目在国内的研究。尽管起步早，但目前研究水平还处于初级阶段。

总之，国内SIC项目的研究以进口晶片为主，昂贵的晶片价格，

限制了国内SiC基电子器件的发展。目前有个别单位从国外引进了晶体生长设备，但过高的价格也是造成继续发展的瓶径。部分单位和研究机构目前正在进行晶体生长工艺装备的研究，但总的来说还没有生产出商业化的晶体，存在许多缺陷。

二、发展需求

美、日、欧先进的SiC生长设备造就了其在SiC半导体方面全球领先的地位，并取得了在SiC半导体方面的主导权，生产的SiC为本国带来了巨大的社会效益和经济效益。其他国家由于缺乏SiC生长设备，只能投入巨资购买发达国家的晶圆，在源头上受制于人，发展受到限制，跟他们相比有很大的差距。

未来的高技术战争，电子对抗已成为主宰战争胜负的关键因素。而SiC半导体具有超高频、大功率、耐高温、耐辐射、抗恶劣环境等先进的能力,正是下一代高技术武器的首选。要发展SiC半导体就离不开工艺装备的支持，装备发展的先进性决定了产品的先进性。发达国家从自身利益考虑，通过制定一些政策和条约，从装备引进上限制和阻挠其他国家SiC项目的研究，使发展中国家在军事电子方面与发达国家的距离越来越大。要缩小这种差距，只有依靠自主发展的方式，从工艺装备的基础做起，打破国外的限制和封锁，掌握真正的核心技术。

硅半导体时代，中国已经失去了同世界同等竞争的机会。国内要在SiC半导体时代赶上世界先进国家，则工艺装备的突破是不可逾越的门槛。鉴于发达国家对我国在工艺装备方面的限制，走自力更生的发展道路已成为我们的不二选择。SIC晶体生长装备的研制，将使

我国的军事电子在三代半导体方面彻底打破国外的限制，极大降低我国军事电子装备更新换代的成本，满足我军对新技术武器的需求，对我军新技术武器在全球范围内地位的提升，具有重大的意义。

因此，研制我国独立自主的SIC晶体生长装备事关重大，迫在眉睫。

三、发展重点

1）急需突破的工艺和装备技术

应用的对象

SiC近年来受到各国军方的重视，从20世纪90年代初开始，各国都制定了相应的SiC发展战略。1995年5月，美国国防部公布了《联合作战科学计划》和《美国国防部国防技术领域计划》，它是根据联合参谋部确定的12项联合作战能力目标而制定的10个国防技术领域的发展计划。在其中的《电子材料》和《微电子设备》项目下分别制定了碳化硅体材料、外延薄材料和在300到500℃条件下工作的碳化硅微电子器件的发展目标。根据1996年《美国国防部国防技术领域计划》，仅SE.27.01(微波碳化硅大功率放大器)项目到2000年的累计投资就达到2.5亿美元,并在继续加大投资力度，可见其重视程度。欧洲也制定了类似的计划，如英国的Sceptre计划；日本制定了“硬电子学”研究计划。其研究工作突飞猛进，日新月异。

总之以SiC为主的宽带隙半导体技术研究的进展速度超过了先前的预测，开发成果今人注目。单晶材料和外延生长技术的进步使器件性能得到不断提高。某些高性能器件与电路已开始在军事装备中试

用，并获得满意的试验数据。随着宽带隙半导体器件制造技术的不断改进与优化，有望在今后5-1O年内替代现有的传统半导体器件与电路，广泛广用于各种军事武器装备系统，使系统性能得到大幅度提高。

●解决的问题：

SIC材料作为第三代半导体虽然在电子领域，特别是在国防和军事电子领域具有重要的应用价值，但过高的价格和供不应求的状况却限制了它的进一步发展，这是因为产生SIC材料的生长设备是一门集多种学科知识于一身的统一体，它的进入门槛非常高，目前只掌握在国外几家公司的手中。近几年我国在SiC材料研究方面取得了一定的进展，已经有部分高校及研究单位生长出了碳化硅单晶体，但大都采用国外设备来进行生长。由于国外公司掌握SIC生长设备技术，国内进口成本很大，目前SIC材料作为一种战略物资，进口受限较多。制约了国内SiC基电子器件的发展。因此，开发出具有自主知识产权的SIC晶体生长设备，提高SiC材料质量，降低成本，满足国内电子器件特别是军事装备、航空航天、海洋勘探、国防应用等具有重要的意义

●解决的办法

在半导体晶片整个制作过程中，单晶生长是整个工序中最关键的步骤，单晶生长的质量直接影响着晶片的性能。目前SiC晶体生长方法国际上通用的主流方法是：籽晶升华法，即PVT法

籽晶升华法：碳化硅晶体生长是基于Si和C材料的气相平衡系统，是一种物理气相传输（PVT）技术。它是在密闭的反应室里SiC

源被加热到2000℃以上时，SiC源分解成含Si和C的气体分子,这些气体分子通过源和晶种之间温度梯度再凝聚到较冷的晶种表面，生长出SiC单晶。

籽晶升华生长法生长SiC单晶可生长高质量、较大尺寸的SiC单晶，并可有效减少SiC单晶体中的各种缺陷。要获得高质量的SiC材料必须精确控制多种晶体生长参数，如：生长温度，温度梯度，源与籽晶的距离，载气压力等。

SiC籽晶升华法生长机理

升华法生长SiC材料的系统组成一般为：外围感应加热线圈,由外向内依次是石英管,隔热材料,坩埚。坩埚一般使用高纯、高密度、各向同性石墨。籽晶置于坩埚的盖上,原料可使用高纯SiC粉末或者多晶,放在坩埚底部。有两个测温窗口,用色温计测定坩埚顶部和底部的温度,从而估计温度梯度。一般通入氩气来作为背景气源。籽晶温度较低，SiC源温度较高，两者之间存在一定的温度梯度。温度梯度的控制可根据需要调节感应线圈的位置来控制。（下图为感应加热生长设备示意图）

籽晶升华法SiC单晶生长的基本过程包括原料分解升华、质量传输和在籽晶上结晶三个过程。当加热到一定的温度后,原料主要分解为Si、Si2C、SiC2气体。当原料到籽晶的距离较小时(约10ｍｍ以下),主要是原料面到籽晶的直接升华;当距离较大时,因为Si的蒸汽压要高于其他成分,气体Si要与坩埚的石墨壁反应生成Si2C、SiC2,生长主要是由壁到籽晶的气体传输。

根据气体自由程与腔内压力成反比的关系,生长过程中通入Ar 气，可以控制反应速度。在生长初期，为了防止其他多型的生长，或

是防止杂乱生长，加大Ar气量，可以抑制生长。现在通常的生长温度为2000℃至2400℃。生长速率通常随温度升高而增加，随料源与籽晶间的温度梯度加大而增大，随外加惰性气体气压加大而减小。温度梯度过小会导致生长率低,过大会造成晶体开裂且质量不高。生长过程中,首要解决的是温场的均匀分布问题,以保证生长界面的均匀性,为二维层状生长。了解容器内温场的分布,来设计容器坩埚的具体理想的形状,有的研究用计算机软件来模拟及计算温场分布,来推测腔内物质运动及晶前形状等生长过程中无法看到的现象。另外一个问题是Si的流失问题，首先Si的蒸汽压高,沸点低,很早就从料中升华并溢出坩埚,留下的原料呈黑色的石墨化物质,阻碍了料源的升华。解决的方法有:添加多余的Si粉。研究表明:加了Si,可以改善籽晶抛光造成的表面缺陷，生长台阶的高度和宽度随Si量的加大而减小，使生长模式成为台阶流动生长，而且在生长初期，就能保持合适的晶型的生长(Ｔ<1900℃)。还有就是如何装籽晶的问题,籽晶与坩埚盖最好是完全均匀的连接,如果是粘在盖上的,那么要注意粘接物质的均匀,否则会造成温场不均,中空的位置有空气,不利于传热,这些地方过饱和度低,生长慢或者不生长,就会出现微管缺陷。

预期效果

本项目的实施，将使我国SiC行业工艺装备实现重大突破，打破国内SiC发展的瓶径，改变国内受制于装备的落后局势, 使我国的SiC研制赶上世界先进水平。

本项目的实施,将摆脱发达国家对我国三代半导体装备的进口限制, 使我国三代半导体的研制取得较大的突破, 进一步加强国内在三代半导体的研制方面的基础, 并引导和推动国内科研机构对三代半导体方面的关注,以此形成研究热潮,提升我国电子技术方面的实力.

本项目的实施，将极大的推动我国的军事电子技术。 SiC半导体技术具有高频、大功率、宽禁带、抗辐射等特性，是在极端恶劣环境中应用的高可靠智能化武器系统、微波武器系统以及导弹、航空、航天等系统的首选，是未来我国军事电子进行升级换代的必然选择，项目的进行将使我国的武器装备和军事技术获得快速的提升。

除军事应用外，SiC在民用上也具有巨大的应用价值， SIC 半导体器件也可应用在半导体照明和电力电子等领域，同时也是信息、通讯、电站、石油、冶金等国民经济主要领域应用的生力军。发达国家正在逐步产业化，并已取得一定效果，一旦技术成熟度达到市场可接受水平，必将产生巨大的经济效益。