TSSG法生长SiC单晶的原理

文章来源：晶格半导体

原文作者：晶格半导体

本文介绍了用TSSG法生长SiC单晶来解决传统方法生长的困难。

传统熔体法的局限

SiC的物理特性决定了其生长难度。在常压环境下，SiC并无熔点，一旦温度攀升至2000℃以上，便会直接发生气化分解现象。从理论层面预测，只有在压强高达109Pa且温度超过3200℃的极端条件下，才有可能获取满足化学计量比的SiC熔体。如此严苛的条件，使得通过传统的同成分SiC熔体缓慢冷却凝固的熔体法来生长SiC单晶变得极为困难，不仅对设备的耐高温、耐压性能要求近乎苛刻，还会导致生产成本飙升，生长过程的可操作性和稳定性极差。

液相法生长的理论突破

转机来自对Si-C二元相图的研究。在相图的富Si端，存在着“L+SiC”的二相区，这一发现为SiC的液相法生长开辟了新路径。起初，研究人员尝试以纯Si作为自助熔剂，采用高温溶液生长法（HTSG）来生长SiC单晶。然而，在2000℃以下的温度区间，Si熔体对C的溶解度极低，不足1% 。这一低溶解度严重限制了SiC晶体生长时对C元素的需求，导致晶体生长速率缓慢，结晶质量难以提升，尺寸拓展也面临瓶颈。即便试图通过升高温度来增加Si熔体对C的溶解度，又会引发Si熔体大量挥发的问题，使得晶体生长难以持续稳定进行。

TSSG法核心原理的形成

为突破上述困境，科研人员探索出两种途径。第一种是高温高压技术，虽能在一定程度上升温提高C的溶解度，同时利用高气压抑制Si的挥发，但该方法技术难度极大，生长成本高昂，且对C溶解度的提升效果有限，后续发展受限。第二种途径则是在Si熔体中添加对C有较高溶解度的助熔剂元素（如过渡族金属元素或稀土元素等）。这一方法不仅能够有效提高C在高温溶液中的溶解度，还能大幅降低晶体生长所需的温度和气压，极大地降低了HTSG法生长SiC单晶的技术门槛和成本，成为当前TSSG法的核心原理基础，被广泛应用。

TSSG法生长过程的原理阐释

（一）原料与装置的原理设计

TSSG法生长SiC单晶的装置设计蕴含着精妙的原理。通常，将Si和助熔剂元素放置在高纯石墨坩埚中，籽晶杆与冷端相连。高纯石墨坩埚在此扮演着双重关键角色，一方面，它作为容器盛放高温溶液；另一方面，鉴于高温溶液对C的溶解度较低，为实现大的生长量，在生长过程中持续补充C至关重要，而高纯石墨坩埚能够稳定地为晶体生长提供C源，这是一种既简便又高效的供C方式，保障了晶体生长过程中C元素的稳定供应。

（二）温场控制与生长启动原理

生长伊始，将坩埚中的原料加热至熔融状态，此时，精确控制温场成为关键环节。通过特定的技术手段，使高温溶液在轴向上形成特定的温度梯度。稳定的温场建立后，当高温溶液中C的浓度达到平衡时，便将籽晶下推使其与高温溶液接触，由此正式启动晶体生长。这一过程中，温场的精确控制原理在于利用温度差来驱动溶质的传输和晶体的生长。温度梯度的存在使得高温溶液中的溶质具有从高温区域向低温区域扩散的趋势，为晶体生长提供了物质传输的动力，而籽晶的引入则为晶体生长提供了结晶核心，引导SiC晶体在籽晶表面有序生长。

（三）溶质传输与晶体持续生长原理

在晶体生长过程中，坩埚底部的高温溶液会持续地从石墨坩埚壁溶解C。这一溶解过程基于石墨在高温下的稳定性和C元素的活性，使得C能够不断融入高温溶液。随后，在高温溶液对流和溶质扩散作用下，C被源源不断地传输到温度相对较低的晶体生长界面处。晶体生长的驱动力f与高温溶液中C浓度紧密相关，根据公式f∝-ΔG=RTln(C/C0)（其中C为晶体生长界面处C的实际浓度，C0为高温溶液在温度为T时C的饱和浓度），当C>C0时，意味着高温溶液处于过饱和状态，此时晶体生长的驱动力f>0，SiC会不断从高温溶液中析出，进而实现晶体的持续生长。这一原理揭示了溶质浓度差在晶体生长中的关键作用，通过维持晶体生长界面处的过饱和状态，保证了晶体生长的持续进行。

生长关键平衡与调控原理

（一）多平衡体系的协同原理

理想的TSSG法生长SiC单晶状态，依赖于多个关键平衡的协同维持。坩埚内高温溶液中C的溶解、传输与消耗的平衡，确保了C元素在整个生长体系中的稳定供应与合理利用；坩埚中热量输入与耗散的平衡，维持了生长环境温度的稳定，避免因温度波动影响晶体生长；晶体生长界面处溶质的传入与单晶生长消耗的平衡，保证了晶体生长的连续性和稳定性；晶体生长界面处热量输入与传出的平衡，有助于维持晶体生长界面的稳定性，避免因热量积聚或散失过快导致晶体缺陷。这些平衡相互关联、相互影响，共同构建起一个稳定的晶体生长环境。

（二）溶质传输的核心原理

溶质C的传输在TSSG法生长SiC单晶过程中占据核心地位。热量传输所形成的温度梯度是溶质传输和晶体生长的根本驱动力。高温溶液的热力学性质，诸如对C的溶解度、黏度以及与SiC之间的界面能等，都会对溶质C的溶解、传输供应和单晶生长消耗产生显著影响。同时，坩埚中温度梯度、坩埚结构和尺寸等因素，会改变高温溶液的对流形式，进而影响溶质C在整个体系中的传输过程。例如，合理的坩埚结构和温度梯度设置，可以促进高温溶液形成有利于溶质传输的对流模式，增强C元素向晶体生长界面的传输效率，从而推动晶体生长。

（三）生长速率与质量调控原理

一般情况下，生长过程中C的供应速率越大，晶体生长界面附近的过饱和度越大，晶体的生长速率也就越大。然而，当C供应速率过快，导致过饱和度太大时，会使晶体生长界面失稳。这是因为过大的过饱和度会破坏晶体生长界面的原子排列有序性，引发高温溶液在晶体中的包裹现象，以及在晶体表面形成沟槽状缺陷，甚至会促使SiC在高温溶液中均匀形核，这些问题都会严重影响单晶的生长质量。因此，精确调控高温溶液的热力学性质以及溶质传输过程和晶体生长界面处的动力学，使溶质C在整个生长系统中实现良好的供需动态平衡，成为调控晶体生长速率与质量的关键原理。通过优化助熔剂的成分和配比、调整温场参数以及控制生长工艺等手段，可以实现对这一平衡的精准调控，从而生长出高质量的SiC单晶。