日本日新技研公司的升华发碳化硅长晶设备,在日本国内得到了国际一流的碳化硅制造企业新日铁等多家企业的采购订单。

同时,HTCVD长晶炉的也销售到日本的半导体厂家与国家研究机构;同时,其也针对日本客户开发碳化硅液相法长晶炉。可谓在国际上第一流的碳化硅长晶炉设备制造商,具有完整的碳化硅设备经验。

 

SiC晶体生长方法

4H碳化硅晶体的生长方法以物理气相传输法(Physical Vapor Transport, PVT)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HT-CVD)法以及液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy, LPE)为主流,而其中超过90%的长晶厂使用物理气相传输法作为量产手段:

 

物理气相传输法(PVT)

高溫化学气相沉积法 (HT-CVD)

液相磊晶法(LPE)

生长温度 (oC)

2200-2500

1500-2200

1460-1800

生长速度(mm/hour)

0.2-0.4

0.3-1.0

0.5

 

PVT法走入量产已经发展了20年以上,因此虽然晶体质量的控制上仍有先天上的技术瓶颈,但在当前仍然是碳化硅衬底的主要生产方式。而HT-CVD法虽然起步较晚,因为其原料为高纯度的气体,从产品的多样性来看有其非常大的优势。LPE法因生长出的薄膜质量高缺陷密度低,因此在未来也可能有极大的发展空间。

 

 

 

 a.升华法:

物理气相传输法(physical vapor transport,PVT) 又称为升华法(sublimation),碳化硅多晶料放置于石墨坩埚的底部,而碳化硅籽晶黏着于石墨内壁的上端,生长面为(0001)面;石墨坩埚外围包覆绝缘石墨保温材料,放置于由石英管所构成的真空室中,双层石英管中间通恒温的循环冷却水,石墨坩埚置于感应线圈的中心,线圈位置可上下移动调整对石墨坩埚的加热效应,通过机械泵和分子泵工作,生长室真空度可达到10-3Pa。测温系统由分别置于设备上下两端的红外高温探测仪组成,对生长温度和压力进行精确控制,保障碳化硅单晶生长的稳定性和重复性。

 

b.HTCVD法:

HT-CVD法是在1500-2200度的高温下,通入高纯特气(硅烷silane, SiH4, 乙烷ethane或丙烷propane, 及氢气H2等)在生长腔内进行反应,先在温度较高的裂解反应区形成SixCy 的前驱物,再经由气体的带动下进入较低温的籽晶端前沉积形成单晶。

因为反应气体的持续供应,能够有效的控制生长过程的Si/C比例,降低因为偏离剂量比造成的晶体缺陷之外,也能够有效的进行掺杂,准确控制掺杂量,因此HT-CVD法已经证明可以生长出高质量n型或p型碳化硅晶体;另外HT-CVD法最重要优点在于因为特气纯度高、杂质含量低,因此能够成功进行高纯度高质量半绝缘碳化硅晶体的生长。HT-CVD的热场设计、生长时的温度控制、各种特气流量及搭配、及腔体内压力设定,为控制晶体生长速率及晶体质量的关键。

 

c.LPE法:

利用类似提拉法的长晶炉结构,碳化硅籽晶固定在籽晶杆前端,石墨坩埚里装填硅原料以及少量的掺杂物,加热至硅的融点以上(1500-1700度)将硅融化后,经由籽晶的旋转或是再加上坩埚的反向旋转,使熔体里的碳以及掺杂元素均匀散布;借由缓慢降温使溶液过饱和后在籽晶前端生长出碳化硅单晶。因为碳在硅溶液里的溶解度过低,因此必须添加如过渡金属元素于硅熔体中,以提高碳的浓度,来提升晶体生长速率。

LPE法最大的优点在于有机会生长出相较其他方法缺陷密度更少的晶体,并且生长温度也相较低,在更接近热力学平衡的条件下,对碳化硅晶型的控制也较好。如何控制掺杂量以及均匀性,并且选择适合的过渡金属,为控制晶体生长速率及晶体质量的关键。