碳化硅（SiC）作为重要的第三代半导体材料之一，在高温、高频、高功率、抗辐射等方面具有优秀的性能。SiC基器件已经在军事、民事、航空航天等多领域得到了广泛应用，是各国科学技术竞争的重点领域。SiC衬底晶片作为SiC产业链的基石有着至关重要的地位。
（图源：天科合达）
然而，SiC的本身特性决定了其单晶生长难度较大。这主要是由于在常压下没有化学计量比为Si:C=1:1的液相存在，并不能采用目前半导体工业主流所采用的生长工艺较成熟的生长法——直拉法、降坩埚法等方法进行生长。为了克服这一难题，科学家们经过不懈努力提出了各种方法以获得高结晶质量、大尺寸、廉价的SiC晶体。目前比较主流的方法有物理气相传输法（PVT法）、液相法以及高温气相化学沉积法等。
物理气相传输法作为发展最早的SiC晶体生长方法，是目前生长SiC晶体最为主流的生长方法。该方法相较其它方法对生长设备要求低，生长过程简单，可控性强，发展研究较为透彻，已经实现了产业化应用。
PVT法生长碳化硅单晶装置示意图
该方法是通过控制石墨坩埚外部保温条件实现对轴向与径向温场的调控。将SiC粉料置于温度较高的石墨坩埚底端，SiC籽晶固定在温度较低的石墨坩埚顶。一般控制粉料与籽晶之间的距离为数十毫米以避免生长的单晶晶体与粉料接触。温度梯度通常在15-35℃/cm区间范围内。炉内会保留50-5000 Pa压强的惰性气体以便增加对流。
在通过感应加热的方法将SiC粉料加热到2000-2500℃后，SiC粉料会升华分解为Si、Si2C、SiC2等气相成分，随着气体对流被运输到籽晶端，并在籽晶上结晶出SiC晶体，实现单晶生长。其典型的生长速率为0.1-2 mm/h。
经过数十年的不断努力，目前PVT法生长SiC衬底晶片的市场已经十分巨大，每年SiC衬底晶片产量可达几十万片，其尺寸正逐步从4英寸换代到6英寸，并已经开发出了8英寸SiC衬底晶片样品。
液相法生长SiC晶体由于更接近热力学平衡条件，有望生长出质量更好的SiC晶体。液相法一般采用石墨坩埚，一方面是因为其耐高温、抗腐蚀，另一方面是其可以为晶体生长提供C源。在石墨坩埚中放置硅原料以及一些掺杂物，由于坩埚壁处的温度高，籽晶杆处的温度低，石墨坩埚中的C溶解后就会在籽晶处和融化后的Si结合，形成碳化硅晶体。
相对于PVT法生长碳化硅，液相法具有位错密度低、易于实现扩径、可以获得P型晶体等优点，但是在杂质含量控制、过渡元素选择等方面仍存在一定问题。
液相法生长碳化硅单晶装置示意图
近年来，日美等高校与公司开展了大量SiC晶体液相法生长的研究，名古屋大学、东京大学和丰田、新日铁住金、LG等企业公司相继投入了大量资金进行相关的技术产业研发，使得液相法生长SiC晶体技术不断推进，受到更多的关注。
目前液相法已经成功实现了2英寸SiC单晶的生长，其生长晶体质量与PVT法生长的晶体质量相当。采用液相法4英寸SiC晶体的研究也在快速推进中。随着液相法生长SiC晶体技术的不断成熟，未来其对整个SiC行业的推进将表现出巨大潜力，很可能是SiC晶体生长的新突破点。
HTCVD法生长SiC晶体和PVT法较为相似，反应容器为石墨坩埚，先驱体在坩埚底下气体通道中进入石墨坩埚加热区，在坩埚顶部装有籽晶，气体在温度较低的籽晶处沉积生长碳化硅晶体。
HTCVD法生长SiC晶体示意图
高温化学气相沉积法反应的先驱气体一般为硅烷（SiH4）和碳氢化合物，比如C2H4和C3H8等。HTCVD的反应温度一般为2100~2300℃，在加热区气体会反应生成Si以及SiC，这些反应生成的气体就是SiC晶锭生长的原料。气体反应区的温度要比籽晶处高，温度梯度保证了质量传输，较低的温度使得气相在籽晶凝固。
HTCVD法作为一种采用气相源供料的生长方法可以很好地控制生长过程中的气相成分，保证原料供应充足，同时相比于一般的CVD法具有更高的生长速度，可达0.3-0.6 mm/h，可以满足块体SiC晶体生长需要。但是使用气相原料大大提高了生长成本。相关研究的不充分也使得目前生长工艺尚不成熟，晶体缺陷较高。采用HTCVD法生长SiC晶体依然处于研发阶段，在未来该方法有望成为一种大尺寸高质量SiC晶体的生长方法。
参考来源：
李鹏程：大尺寸碳化硅单晶生长设备及温控方法研究，山东大学
张泽盛：液相法碳化硅晶体生长及其物性研究，中国科学院物理研究所
张浩：物理气相传输法制备碳化硅晶体的工艺研究，哈尔滨工业大学
（图源：天科合达）
PVT法生长碳化硅单晶装置示意图
液相法生长碳化硅单晶装置示意图
