摘要：研究了 SiC 晶体高温化学气相沉积生长机理，从 SiC 晶体高温化学气相沉积生长过程的化学原理、反应条件、反应过程、一般工艺等方面进行探讨，并分析了沉积温度、气体压力、本底真空及各反应气体分压(配比)对 SiC 单晶生长及其缺陷形成的影响，基于以上分析，得出高温化学气相沉积法生长碳化硅晶体最佳的工艺条件。

　　关键词：碳化硅晶体;HTCVD 法;晶体生长

　　碳化硅(SiC)是继第一代半导体材料硅和第二带半导体材料砷化镓(GaAs) 后发展起来的第三代半导体材料。由于碳化硅(SiC)具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、化学性能稳定、高硬度、抗磨损等特点，SiC 器件在航空、航天探测、核能开发、石油、地热钻井勘探、汽车发动机领域有着重要的应用。半导体材料是电子器件提高性能、实现小型化、多功能和高可靠性的物质基础和技术关键，利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。因此可以预见不久的将来，随着碳化硅(SiC)材料和器件工艺的不断完善，部分 Si 领域被碳化硅(SiC)来替代是指日可待的。

　　1

　　碳化硅晶体生长方法及原理

　　目前生长 SiC 晶体的方法包括物理气相传输法(PVT)和化学气相传输法(HTCVD)。而目前国内晶体制备的方法主要是物理气相传输法。高温化学气相沉积技术是一种新型的制备 SiC 晶体的方法，国外已经有多年的研究。国外对外公布使用高温化学气相沉积技术(HTCVD)生长碳化硅晶体的有瑞典的 Okmetic 公司，该公司在 20 世纪 90 年代开始研究此技术，并且在欧洲已经申请了该技术的专利。该方法可以生长高纯度、大尺寸的 SiC 单晶，并可有效地减少 SiC 单晶体中的各种缺陷，要获得高质量的晶体必须精确控制多种晶体生长参数，如：沉积温度、沉积室压力、本底真空、各反应气体分压(配比)等。本文着重对高温化学相沉积生长 SiC 晶体的机理进行讨论。高温化学气相沉积法(HTCVD)

　　2.1

　　高温化学气相沉积原理高温化学气相沉积生长碳化硅(SiC)晶体是在密闭的反应器中，外部加热使反应室保持所需要的反应温度(2 000 ℃～2 300℃)，反应气体 SiH4由 H2或 He 载带，途中和 C2H4混合，再一起通入反应器中，反应气体在高温下分解生成碳化硅并附着在衬底材料表面，并沿着材料表面不断生长，反应中产生的残余气体在废弃处理装置中处理和排放掉。反应在 40 kPa 左右的低真空下进行，通过控制反应器容积的大小、反应温度、压力和气体的组分等，得到最佳的工艺条件。其主要包括如下反应：2SiH4+C2H4=2SiC+6H2最初的 CVD 生长在 Si 衬底上进行，随着 SiC 体单晶生长技术的成熟，以 6H-SiC 为衬底的生长也引起了极大的关注。6H-SiC 衬底上外延生长的 3C 和 6H-SiC 的缺陷少，但 6H-SiC 衬底的价格非常昂贵;Si 与 SiC 的晶格失配和热膨胀系数失配较大，但大面积、高质量的 Si 衬底很容易得到。目前大多数的外延衬底用 6H-SiC。以 6H-SiC 为衬底的外延生长几乎都用 SiH4-C3H8-H2体系，SiH4 和 C3H8的流量一般为 0.1 sccm～0.3 sccm，H2的流量一般为 4 L/min。最初在 6H-SiC 的(0001)面上外延表面较好的 6H-SiC，温度必须高于 1 800 ℃，低于该温度会形成 3C-SiC孪晶。

　　2.2

　　化学气相沉积反应过程高温化学气相沉积是在衬底材料表面上产生的组合反应，是一种化学反应。它涉及热力学、气体输送及膜层生长等方面的问题，根据反应气体、排出气体分析和光谱分析，其反应过程一

　　般认为有如下几步：

　　第一步：混合反应气体到达衬底材料表面;

　　第二步：反应气体 SiH4和 C3H8在高温分解并在衬底材料表

　　面上产生化学反应生成固态 SiC 晶体膜;

　　第三步：固体生成物在衬底材料表面解吸和扩散，气态生成物 H2从衬底材料表面脱离移开，不断地通入反应气体，SiC 膜层材料不断生长。在这些过程中，反应最慢的一步决定了整个反应的沉积速率。反应气体 SiH4和 C3H8需要先经过气体纯化装置干燥、过滤、净化后方可进入反应室当中。

　　2.3

　　化学气相沉积技术工艺过程

　　2.3.1

　　衬底材料处理

　　衬底材料一般选用 Si 或 SiC，一般表面会有氧化物、粉尘等脏物，所以必须经过严格清洗干净才能进行生长处理。衬底材料一般采用超声波清洗设备来清洗。清洗后的衬底材料不得用手直接触摸，放在清洁、干燥的容器中备用。

　　2.3.2

　　装料

　　装料前先将清洗好的衬底材料 Si 或 SiC，按照工艺要求摆放在托架上，尽量放在中心位置，以保证沉积时气体流通，分布均匀。清洗密封面，关好炉门，装料结束后，测试设备的泄漏率，当设备达到较高的本底真空后，关闭设备的真空系统工作，如果在1 h 内系统漏气率不超过 0.5 Pa，一般认为设备系统密封性能较好，可以满足化学气相沉积工艺要求。

　　2.3.3

　　加热升温

　　沉积室检漏合格后，按照一定的工艺曲线对反应室进行加热升温，在到达工作温度后，再通入反应气体 SiH4和 C3H8。除了对反应室进行加热以外，对反应源及输送管路也要加热升温，反应气体的温度要精确控制，才能保证按工艺要求准确、恒量地送入反应室内，参与化学反应。

　　2.3.4

　　沉积生长

　　当反应室加热温度稳定达到工艺要求后，反应源气体开始发生化学反应，开始在衬底材料表面生长 SiC 晶体。当工艺流程结束后，按照工艺要求可以停止供气，关闭加热，等待设备自然冷却。

　　2.4

　　化学气相沉积工艺参数对晶体生长的影响高温化学气相沉积过程是这样进行的：在接近高温区，各反应气体(SiH4和 C3H8)热分解，接着在高温基体表面吸附、解吸、相互间反应，最后是固相生成物与基体表面之间的原子扩散而产生 SiC 晶体的生长。可见,影响晶体质量的主要工艺参数是：沉积温度、本底真空、沉积室压力、各反应气体分压(配比)等。

　　2.4.1

　　沉积温度

　　沉积温度是影响生长工艺和晶体生长的重要参数。研究表明，随着沉积温度的升高，高温化学气相沉积反应速度加快，晶体生长速率提高，二者近似呈线性关系。高温气相沉积的反应温度在 1 800 ℃～2 300 ℃。

　　对在不同温度下晶体生长的组织结构分析表明，沉积温度过高，沉积速率过快，会造成晶体组织疏松、晶粒粗大甚至会出现枝状结晶。

　　反之，沉积温度过低，沉积速率很慢，甚至会出现硅沉积速度大于碳化硅沉积速度，沉积晶体会呈多孔状，且与基体之间的结合强度低，这些都会影响晶体生长的性能和质量。

　　2.4.2

　　本底真空晶体生长设备的本底真空度的好坏以及设备的泄漏率，对碳化硅晶体生长的质量影响很大，在碳化硅晶体生长之前，应先对反应室抽真空，一般采用机械泵串联扩散泵或机械泵串联分子泵进行抽气，用电阻规管测量低真空，电离规管测量高真空，使真空度达到 1×10-2Pa～1×10-3 Pa，当设备的本底真空抽到 1×10-2Pa 以下，关闭整个抽真空系统，如果在 60 min 内，系统漏气率不超过 0.5 Pa 时，认为设备的密封性能较好，可以满足化学气相沉积工艺要求。

　　2.4.3

　　反应室气体压力

　　高温化学气相沉积生长碳化硅晶体一般采用负压生长工艺，在负压下，气体分子之间距离增大，在气体浓度不变的情况下，提高了沉积效率。另外，负压沉积时，可使反应生成物的废气尽快排除，有利于化学反应顺利进行，减少对生长的碳化硅晶体产生污染。这点对于获得组织致密、均匀一致、性能稳定可靠的高质量大直径晶体，是十分重要的。

　　2.4.4

　　各反应气体分压(SiH4和 C3H8的配比)采用高温化学沉积技术，通过改变参与化学反应的反应源气体的不同流量配比时，在衬底材料上生长的晶体的成分和性能也不同，所以沉积过程中选择最佳反应源气体流量配比，对生产高性能的碳化硅晶体是至关重要的。

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　　结语

　　作为一种新型的半导体材料，SiC 以其优异的性能必将对未来电子信息产业具有重要作用。在制备高纯 SiC 材料方面高温化学气相沉积(HTCVD)工艺明显优于物理气相传输(PVT)，这对于半绝缘 SiC 材料的制备是非常有利的。物理气相传输(PVT)的优点是生长速度相对化学气相沉积(HTCVD)快一些，工艺也相对成熟些。但化学气相沉积技术的发展潜力更为大一些。主要用来制备需要高纯碳化硅(SiC)衬底材料的高频、大功率的航天航空器件中。而如何获得大尺寸、低缺陷密度、低成本的 SiC 单晶，为 SiC 器件提供材料支持，仍然是我们现在面临的难题，也是我们长期追求的目标，实现这一目标仍有许多难题等待我们去解决。

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