碳化硅單晶襯底材料

碳化硅單晶襯底材料（Silicon Carbide Single Crystal Substrate Materials，以下簡稱SiC襯底）也是晶體材料的一種，屬于寬禁帶半導體材料，具有耐高壓、耐高溫、高頻、低損耗等優勢，是制備大功率電力電子器件以及微波射頻器件的基礎性材料。

SiC的晶體結構

SiC單晶是由Si和C兩種元素按照1:1化學計量比組成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體材料，硬度僅次于金剛石。

C原子和Si原子都有4個價電子，可以形成4個共價鍵，組成SiC基本結構單元——Si-C四面體，Si原子和C原子的配位數都是4，即每個C原子周圍都有4個Si原子，每個Si原子周圍都有4個C原子。 

SiC襯底作為一種晶體材料，也具有原子層周期性堆垛的特性。Si-C雙原子層沿著[0001]方向進行堆垛，由于層與層之間的鍵能差異小，原子層之間容易產生不同的連接方式，這就導致SiC具有較多種類的晶型。常見晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等。

原子層間的排列方式不同，使得組成原子的占位不同，2H晶型中原子全為六方位。而3C晶型中的原子全為立方位。不同占位比會影響晶體的禁帶寬度以及載流子性能。隨著六方位占比增加，禁帶寬度逐漸增大，從3C晶型禁帶寬度的2.4eV到2H晶型的3.2eV。

其中，按照“ABCB”順序進行堆垛的結構稱為4H晶型。雖然不同晶型的SiC晶體具有相同的化學成分，但是它們的物理性質，特別是禁帶寬度、載流子遷移率等特性有較大的差別。從理論上來看，2H晶型全為六方堆積方式——禁帶寬度最大，應該最適合作為大功率器件的制作材料。

但是由下圖，可以看出其制備條件在實際操作過程中難以實現制造。因此在現實情境下，選擇了4H晶型。其在制造和各方面的性能更適合半導體領域的應用。 

上圖也可以看出4H晶型在相圖中的面積并不大，因此制造的難度系數也是非常高的。生長溫度、壓力等多種因素都會影響SiC襯底的晶型穩定性，因此想要獲得高質量、晶型均一的單晶材料，在制備過程中必須精確控制如生長溫度、生長壓力、生長速度等多種工藝參數。

SiC制備方法

物理氣相升華法（PVT法）

目前SiC晶體的生長方法主要有物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高溫化學氣相沉積法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已發展較為成熟，更適用于產業化批量生產的方法。

所謂PVT法，是指將SiC籽晶放置在坩堝頂部，將SiC粉料作為原料放置在坩堝底部，在高溫低壓的密閉環境下，SiC粉料升華，并在溫度梯度和濃度差的作用下向上傳輸至籽晶附近，達到過飽和狀態后再結晶的一種方法。該方法可以實現SiC晶體尺寸和特定晶型的可控生長。

然而，使用PVT法生長SiC晶體需要在長時間的生長過程中，始終維持適宜的生長條件，否則會導致晶格紊亂，從而影響晶體的質量。

但SiC晶體的生長是在密閉空間內完成的，有效的監控手段少，變量多，因此工藝控制的難度較高。

單一晶型穩定生長的主要機制

臺階流動生長模式

在PVT法生長SiC晶體的過程中，臺階流動生長模式（Step Flow Growth）被認為是單一晶型穩定生長的主要機制。

氣化后的Si原子和C原子會優先在kink點位置與晶體表面原子成鍵，在此處成核生長，從而使得各個臺階平行向前流動。當晶體表面產生臺階寬度遠遠超過吸附原子的擴散自由程時，大量吸附原子就可能發生團聚，形成的二維島狀生長模式會破壞臺階流動生長模式，導致4H晶型結構信息丟失，從而產生多型缺陷。 

因此，工藝參數的調節要實現對表面臺階結構的調控，以此抑制多型缺陷的產生，達到獲得單一晶型的目的，最終制備出高品質的晶體。

當然，制備高品質的SiC襯底，晶體生長只是第一步，產品最終達到使用要求前，還需要經過切割、研磨、倒角、拋光、清洗、檢測等一系列工序。

SiC單晶作為一種硬脆材料，對于加工環節的技術要求也很高，各生產環節中產生的損傷都有可能具備一定的遺傳性，傳遞到下一道工序，最終影響產品質量，因此高效加工SiC襯底的技術也備受產業、學術界關注。

來源：碳化硅研習社