碳化硅晶体生长机理及其结构缺陷控制研究

碳化硅晶体生长机理及其结构缺陷控制研究

徐晖、杨帆、姜克勇、杨铭 、李尧炜佳、丁克明、郭邵磊

新疆天科合达蓝光半导体有限公司 832000

摘要：文章详细分析了物理气相传输法（PVT）等主流生长方法的机理，并讨论了生长过程中热力学与动力学因素对晶体质量的影响。针对SiC晶体中常见的微管缺陷、螺位错、堆垛层错等结构缺陷，提出了一系列优化生长条件、改进籽晶质量与极性选择、以及后处理消除缺陷的控制策略。通过实验研究，验证了这些控制方法的有效性，显著降低了缺陷密度，提高了晶体质量。

关键词：碳化硅（SiC）；晶体生长机理；结构缺陷

引言

SiC晶体的生长是一个复杂的过程，涉及原料的升华、传输、结晶等多个环节。其中，物理气相传输法（PVT）因其生长速率快、晶体质量高而成为当前主流的生长方法之一。然而，在SiC晶体的生长过程中，往往会伴随着各种结构缺陷的产生，如微管缺陷、螺位错、堆垛层错等，这些缺陷不仅会降低晶体的质量，还会严重影响其后续加工和器件的性能。因此，旨在通过系统研究SiC晶体的生长机理，揭示其生长过程中的关键影响因素，并在此基础上提出有效的结构缺陷控制方法，以期获得高质量、低缺陷密度的SiC晶体。

1 碳化硅晶体的生长机理

碳化硅（SiC）晶体的生长是一个复杂且精细的过程，它依赖于多种物理和化学因素的精确调控，这些因素共同作用于原料的升华、传输以及籽晶表面的结晶过程。在物理气相传输法（PVT）这一主流生长方法中，SiC晶体的生长机理尤为显著。首先，高纯度的SiC粉末作为原料，在极高温度（通常超过2000°C）下发生升华，形成SiC蒸气。这些蒸气随后在温度梯度的作用下，通过炉膛内的惰性气体（如氩气）携带，向温度较低的籽晶区域传输。在籽晶表面，SiC蒸气通过吸附、扩散和表面反应等过程，开始逐步结晶，形成新的晶体层。在结晶过程中，SiC蒸气分子在籽晶表面的吸附是一个关键步骤，它受到籽晶表面能、蒸气浓度以及温度等多种因素的影响。一旦吸附在籽晶表面，SiC蒸气分子会通过表面扩散，寻找能量最低的结晶位置，这一过程受到籽晶表面微观结构和温度梯度的共同调控。随着结晶过程的进行，SiC蒸气分子在籽晶表面逐渐累积，形成新的晶体层，同时释放出结晶热。这一过程中，籽晶的极性和质量对晶体的生长方向和结构完整性具有重要影响。此外，SiC晶体的生长还受到生长速率、温度梯度、原料纯度以及炉膛内气氛等多种因素的共同影响。生长速率的快慢会影响晶体的结晶质量和内部应力分布，而温度梯度的变化则会影响晶体的生长形态和缺陷分布。原料的纯度和炉膛内气氛的纯净度则直接关系到晶体中杂质和缺陷的含量。因此，在SiC晶体的生长过程中，需要精确控制这些因素，以获得高质量、低缺陷密度的晶体。

2 碳化硅晶体结构缺陷的控制方法

在碳化硅（SiC）晶体的生长过程中，结构缺陷的控制是提升晶体质量、优化器件性能的关键环节。针对SiC晶体中常见的微管缺陷、螺位错、堆垛层错等结构缺陷，本文提出了一系列有效的控制方法，旨在降低缺陷密度，提高晶体的整体质量。首先，优化生长条件是控制SiC晶体结构缺陷的基础。通过精确调控生长温度、压力、气氛以及生长速率等工艺参数，可以显著影响原料的升华、传输以及籽晶表面的结晶过程，从而减少缺陷的产生。例如，适当降低生长速率可以减缓晶体的生长速度，使晶体有更多的时间进行自修复，从而减少微管缺陷的数量。同时，精确控制生长温度和压力梯度，有助于优化晶体的生长形态，减少因温度波动或压力不均导致的缺陷。其次，改进籽晶质量与极性选择是控制SiC晶体结构缺陷的重要手段。高质量的籽晶具有较低的缺陷密度和更好的结晶完整性，可以为晶体的生长提供良好的基础。此外，籽晶的极性选择也至关重要，因为不同极性的籽晶在生长过程中会表现出不同的结晶行为和缺陷倾向。针对微管缺陷这一SiC晶体中最为常见的结构缺陷，提出了一种通过控制原料纯度和生长环境来减少其产生的策略。高纯度的原料可以减少原料中杂质和缺陷的含量，从而降低晶体生长过程中缺陷的形成概率。同时，优化生长环境，如使用高纯度的惰性气体作为传输介质，可以减少气体中的杂质和污染物对晶体生长的影响，进一步降低微管缺陷的数量。此外，对于螺位错和堆垛层错等特定类型的缺陷，也提出了相应的控制措施。例如，通过优化生长温度和压力梯度，可以调整晶体的生长应力分布，从而减少螺位错的形成。同时，采用先进的生长技术和设备，如使用高精度的温度控制系统和气体流量控制系统，可以进一步提高晶体生长的精确度和稳定性，从而减少堆垛层错等缺陷的产生。最后，后处理消除缺陷也是提升SiC晶体质量的有效手段。通过退火处理等后处理方法，可以消除晶体中的部分缺陷，如通过高温退火可以促进晶体内部的原子重排和自修复过程，从而减少缺陷的数量和类型。同时，结合先进的表征技术，如透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM

）等，可以对晶体中的缺陷进行精确检测和定位，为后处理消除缺陷提供有力的技术支持。

3 实验研究与结果分析

3.1 实验设计

实验设备与材料：实验采用物理气相传输法（PVT）生长设备，包括高温炉、惰性气体传输系统、籽晶夹持装置等。原料为高纯度SiC粉末，籽晶选用高质量的4H-SiC单晶片。

3.2 实验条件

生长温度：设定在2200°C至2400°C之间，以探究温度对晶体生长及缺陷形成的影响。

生长压力：保持炉膛内压力恒定，以避免压力波动对晶体生长的影响。

生长时间：根据实验需求设定，以获取不同厚度的SiC晶体。

籽晶极性：分别选用C面和Si面籽晶，以研究极性对晶体生长的影响。

3.3 缺陷检测

使用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对生长的SiC晶体进行缺陷检测，包括微管缺陷、螺位错、堆垛层错等。

3.4 实验结果

以下是不同生长条件下SiC晶体的质量及缺陷密度的实验结果，以表格形式呈现：

4 结论

本文通过对碳化硅（SiC）晶体生长机理及其结构缺陷控制方法的系统研究，揭示了SiC晶体生长过程中的关键影响因素，并提出了一系列有效的缺陷控制策略。实验结果表明，通过优化生长条件、改进籽晶质量与极性选择以及后处理消除缺陷等方法，可以显著降低SiC晶体中的缺陷密度，提高晶体质量。未来，将继续深入探索SiC晶体的生长机理，优化生长工艺，以期获得更高质量、更低成本的SiC晶体材料，推动其在半导体工业中的广泛应用。

参考文献

[1]王宇,顾鹏,付君,等.PVT法生长4H-SiC晶体及多型夹杂缺陷研究进展[J].人工晶体学报,2022,51(12):2137-2152.

[2]石爱红,孙彩华,陈国玉,等.碳化硅晶体生长过程的数值模拟[J].青海科技,2020,27(05):46-48+58.

[3]史永贵,戴培赟,杨建锋,等.物理气相传输(PVT)法生长碳化硅的晶体形态热应力分析[J].西安交通大学学报,2011,45(01):117-121.

[4]戴培赟,史永贵,杨建锋,等.籽晶处理工艺对物理气相传输法生长SiC单晶的影响[J].硅酸盐学报,2010,38(08):1426-1429.