第三代半导体材料SiC晶体生长设备技术及进展

郑泰山;阮毅;王寅飞

【摘 要】第三代半导体设备技术是第三代半导体技术发展的重要支撑和基础。简要介绍了以SiC为代表的第三代半导体材料，重点介绍了SiC晶体生长方法，SiC晶体生长设备基本构成，设备技术国内外进展情况，最后指出了将设备研发和生长工艺相结合研制出更加成熟的SiC晶体生长设备的重要性。%The third generation semiconductor equipment technologies are important base supporting the developments of the third generation semiconductor technologies . The third generation semiconductor is briefly introduced using SiC as the representative in this paper. The technologies of SiC crystal growth , equipment, and the domestic and foreign developments are mainly reviewed. In the end, it is pointed out that the synergetic development of the equipment and the growth technique of SiC crystal growth equipment is important.

【期刊名称】《机电工程技术》

【年(卷),期】2016(045)003

【总页数】4页(P20-23)

【关键词】第三代半导体;SiC晶体;SiC晶体生长设备;SiC晶体生长工艺

【作 者】郑泰山;阮毅;王寅飞

【作者单位】广东省机械研究所，广东广州 510635;广东省机械研究所，广东广州 510635;广东省机械研究所，广东广州 510635

【正文语种】中 文

【中图分类】TN304.05

*广东省科技计划资助项目（编号：2014B070706031）

半导体产业的发展先后经历了以硅（Si）为代表的第一代半导体材料，以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料[1]。

相比第一、二代半导体材料，碳化硅（SiC）晶体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等优越性能，以及学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点，在半导体照明（LED）、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、太阳能、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景，是支撑信息、能源、交通、国防等发展的重点新材料[2-6]。

SiC晶备方法主要有改进的Lely法又称物理气象输运法（physical vapor transport method，PVT法）、高温化学气相沉积（CVD）和液相法（LPE法）生长SiC晶体。

目前，国内外商业化SiC晶体的生长方法主要是采用物理气象输运法。该方法1978年由前苏联科学家Tairov和Tsvetkov提出，经过几十年各国研究人员的不断努力，成为当前技术发展最为成熟的方法，被全球大部分研究者和碳化硅晶体生产者所采用，其以中频感应线圈为加热电源，使得高密度石墨发热体在涡流作用下加热。石墨坩埚的底部填满碳化硅原料，而碳化硅籽晶以距原料面一定距离粘结在石墨坩埚盖的内部。然后石墨坩埚整体置于石墨发热体中，通过调节外部石墨毡的保温，使得碳化硅原料置于高温区而碳化硅籽晶相应的处于低温区。因此高温区的碳化硅原料分解升华的硅、碳化硅等气相组分在温度梯度的驱动下向低温区输送，在碳化硅籽晶C面上形核成晶，生长成碳化硅晶体。另一方面，为了充分利用碳化硅原料，使得处于石墨坩埚最底部的原料能够输送上来，提高原料的利用率，所以在生长过程中将原料缓慢上移[7]。还有科学家如Peter Wellmann提出在晶体生长过程中使用额外的气体管道来控制气相组分，如图1所示。

SiC晶体生长设备（生长炉）要根据“改进升华”法的工艺技术要求并考虑外延生长的工艺需要进行设计制造，由于SiC晶体生长需要多方面的苟刻条件保证，其中最重要的工艺参数及其特点是：工作温度高（2 200℃～2 500℃）、温度梯度大、反应室密封性和隔热性强、冷却迅速等。因此设备须采用稳定的中频电源感应加热、高效冷却及高温密封系统，并具备对晶体生长室高真空度的获得与检测、加热温度的精确测量与控制、加热温度的程序控制、石墨坩埚与加热磁感应线圈的相对位置调整及N2和Ar等多种保护气体的定量供给等功能。

SiC晶体生长设备一般包括7个子系统，如图2所示：

①SiC晶体生长室系统；

②坩埚组件加热系统；

③温度检测与控制系统；

④真空获得与测量系统；

⑤保护气体和反应气体共给系统及其气体过滤系统；

⑥坩埚和籽晶杆运动及其控制系统；

⑦水冷却系统。

3.1　SiC晶体生长设备技术国际进展情况

在SiC晶体生长、设备研究并形成生产规模的公司主要有美国的Cree公司、II-VI公司、Dow Corning公司，德国的SiCrystal公司，日本的Nippon Steel公司、Rohm公司等，这些公司以SiC晶体的后续产品如LED、电力电子器件、微波器件为主业，基本上是SiC晶体的全产业链企业，从报道的相关资料看这些公司目前均可以生长出6英寸的大尺寸SiC晶体，晶体质量也达到了很高的水平。他们为保护自己的技术，其生长设备并不向市场提供，在公开报道的文献中也很难见到关于其设备技术方面的报道，能够向市场提供SiC晶体生长设备厂商有德国的AIXTRON公司、PVA Tepla公司、Linn公司和美国的GTAT公司等。

图3为德国某公司提供的SiC晶体生长设备，我国已有大学和研究单位引进此公司设备，设备采用PVT法，可以生长4英寸4H和6H晶型SiC晶体，设备的主要技术指标如下：

加热功率/频率：最高30 kW/10 kHz；

SiC晶体尺寸：最大ϕ100 mm；

温度范围：2 100oC～2 500oC；

真空度：1.33×10-4Pa；

气体：Ar/N2。

国外公司的设备普遍价格昂贵，另外这些设备厂商并不进行碳化硅生长工艺的研究，SiC晶体生长的工艺对设备有很强的依赖，而晶体的质量对生长工艺参数非常敏感，可以说设备和生长工艺共同决定了晶体的质量。引进国外设备还要自己摸索SiC晶体生长工艺，所以仍需要花费大量的时间进行研究探索。

3.2　SiC晶体生长设备技术国内进展情况

我国60年代就已采用PVT法进行了SiC晶体生长实验，但一直不能生长出大尺寸、高质量的SiC单晶，直到1996年国家“863”计划将SiC晶体生长列入支持项目，2000年国家自然科学基金也列入支持，才使这一方向的研究得到较快进展。国内开展SiC晶体生长设备、晶体生长研究的单位主要有中科院物理所、上海硅酸盐所、山东大学，西安理工大学、中国电子科技集团2所和46所等单位，进行生长设备研究与生产的有中科院沈阳科学仪器公司、西安蓝晶机械科技公司等单位。

目前这些单位的SiC晶体研究及产业化工作成绩显著，如山东大学晶体材料国家重点实验室引进国外SiC晶体生长设备，并自主开发了SiC晶体生长炉，对碳化硅单晶体历经10年的研究，2011年11月和山东天岳先进材料科技有限公司共同签署SiC晶体重大项目产业化合作协议，正式步入了产业化的阶段。目前已经能够利用自主开发研制的SiC晶体生长炉生长出2英寸、3英寸、4英寸导电型和半绝缘型晶体，所加工的SiC晶片已经在市场上批量销售。

中科院物理研究所1999年开始进行SiC晶体的研究，自主开发研制了SiC晶体生长炉，2006年和天富热电合作成立北京天科合达蓝光半导体有限公司开始进行产业化探索，利用自主研制的SiC晶体生长炉等设备，研发成功的2英寸SiC单晶衬底在国内率先实现了产业化，并相继研发成功3英寸、4英寸SiC单晶衬底，实现了批量制备和销售。2014年11月，物理所团队人员与北京天科合达公司合作，利用自主研制的大尺寸SiC晶体生长炉，成功解决了6英寸扩径技术和晶片加工技术，成功研制出了6英寸SiC单晶衬底。图4为国内某单位研制并已投入生产应用的SiC晶体生长炉，其主要技术指标如下：

炉内真空度：极限真空6.6×10-4Pa；

系统抽速：60分钟内真空度<2×10-3Pa；

系统漏率：停泵关机12小时候真空度≤10 Pa；

炉体快提拉速度连续升降可调：≥50 mm/min；

坩埚快提拉速度连续升降可调：≥50 mm/min；

坩埚转速：0～30 r/min；

温度测量控制范围：1 000℃～2 600℃；

温度控制精度：±1℃。

中科院上海硅酸盐研究所、西安理工大学、中国电子集团2所等单位也自主开发研制了SiC晶体生长设备，并进行多年的SiC晶体生长研究，上海硅酸盐研究所立足自主研发的SiC晶体生长设备，在掌握直径50.8 mm（2英寸）、76.2 mm （3英寸）碳化硅单晶生长技术之后，于2013年2月成功生长出直径100 mm（4英寸）4H晶型碳化硅单晶。

从国内的几家机构使用自主研制的设备生长的碳化硅单晶产品和后续加工的晶片产品来看，和国外先进水平仍有不小的差距。例如世界SiC龙头企业美国Cree公司在SiC基片市场上占有较高份额，从该公司在SiC国际学会“ICSCRM 2013”（2013年9月29日～10月4日于日本宫崎县举行）上发表的内容来看，截至2013年，功率元件用6英寸产品的微管密度在1个/cm2以下，平均水平为0.5个/cm2左右，较好时可达到0.01个/cm2，而我国4英寸的产品目前做到最好的是0.19 个/cm2。

以SiC和GaN为代表的第三代半导体技术在LED领域获得应用后，将广泛应用于电力电子等领域，市场潜力巨大。从技术层面说，国外掌握高端设备技术的公司禁止对外销售、国产设备落后是导致我国宽禁带半导体技术水平落后的一个重要原因。在发展第三代半导体所面临的设备问题中，SiC晶体生长设备、GaN高温MOCVD等是制约我国宽禁带半导体技术发展的关键设备。由于SiC晶体生长设备开发难度较大，且进行SiC晶体研究的机构不外销晶体生长设备，我国市场上缺乏较为成熟的SiC晶体生长设备，所以如何将SiC晶体生长设备和生长工艺结合起来，开发出更加成熟和完善的商业化设备产品是我们面临的重要任务。

【相关文献】

［1］彭同华，陈小龙.SiC单晶衬底产业发展与展望［G］//2015宽禁带半导体器件及应用技术产业发展战略研讨会，北京，2015/07/21.

［2］陈治明，李守智.宽禁带半导体电力电子器件及应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］王学梅.宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用［J］.中国电机工程学报，2014，34（3）：371-379.

［4］颜秀文，武祥.宽禁带半导体关键设备技术及发展［J］.电子工业专用设备，2013（05）：4-8.

［5］郑有炓.第三代半导体材料面临的发展机遇与挑战［J］.半导体照明，2013（11）：1-4.

［6］刘兴昉，陈宇.碳化硅半导体技术及产业发展现状［J］.新材料产业，2015（10）：12-19.

［7］M.G.Spencer.SiC Growth technology in Europe［R］.KGB Consulting Ltd，2010.

［8］胡小波，徐现刚.SiC单晶中生长缺陷的研究进展［G］//第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集，2012.

［9］郑磊.SiC晶体生长系统关键技术研究［D］.西安：西安理工大学，2010.

［10］林生晃.碳化硅晶体生长过程中的扩径与缺陷控制［D］.西安：西安理工大学，2012.