碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一,具有禁带宽度大、高热导率、高饱和电子迁移率、高击穿电场等特性,在智能电网、电力牵引、电动汽车、微波射频等领域具有独特优势。
目前碳化硅单晶生长的主流技术是物理气相输运(PVT)法,已实现了商业化。
PVT法是通过加热将装在密闭坩埚底部的粉料升华,产生的气相组分在温度梯度的作用下输运至籽晶处而重新结晶。
坩埚周围的保温材料一般使用碳纤维材质,在高温环境下,保温材料因石墨化和硅组分气体腐蚀往往导致保温不均。
加上坩埚本身材质的不均性及安装的轴对称偏差导致坩埚受热不均,最终使生长腔及粉料区径向温场分布不均匀。
目前国内商业化设备的主流加热方式是线圈感应加热,该加热方式径向温度梯度大,坩埚内靠近坩埚壁的粉料因温度明显高于中间位置而最先大量升华,在周边形成泡沫状碳壳层,泡沫状碳的导热率低,阻碍了热量向中心的传递,进一步增加了径向温差,进而引起轴向温度梯度减小。
感应加热由于电磁感应,轴向和径向温度之间存在耦合现象,轴向温度梯度减小一方面会降低生长速率,另一方面会因耦合现象导致生长区径向温度分布发生改变,导致生长界面凹凸程度变化、应力增加,进而使得晶体缺陷增加。
这对于生长厚尺寸、高质量的6寸及8寸晶体非常不利。
国内目前电阻加热长晶炉设备厂商已开始逐步交付衬底厂商,未来8吋碳化硅衬底电阻加热长晶炉将成为主流长晶方式。