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技術文章
TECHNICAL ARTICLES
時間：2020-11-16
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碳化硅SiC晶體生長較常見，較成熟的方法仍然是物理氣相輸運法（PVT），該方法是一種氣相生長方法，生長溫度高，對原材料以及工藝參數等都有很高的要求。近年來，國內外對PVT工藝的開發投入了大量的時間和精力，SiC晶體的質量和尺寸等方面有了很大的突破和提高，但是晶體中仍然存在組織缺陷和微觀應力。組織缺陷的存在會惡化SiC基器件的性能，從而影響器件的應用，而應力的存在則會使得SiC晶體在加工階段容易碎裂，從而降低SiC晶片的成品率。因此，降低SiC晶體中存在的組織缺陷和微觀應力就顯得尤為重要，而高溫退火處理能夠有效的降低微觀應力和消除組織缺陷。
退火處理是指將材料在特定氣氛中加熱到一定的溫度，保溫一段時間之后，再以合適的速率冷卻的一種方法，是材料領域很常見的一種熱處理工藝。退火處理在人工晶體的后處理工序中有重要的作用，例如單晶Si、藍寶石等晶體在生長完成之后都要進行相應的退火處理，以消除晶體中的應力和缺陷，提高晶體的結晶質量。
組織缺陷
采用PVT法制備的SiC晶體中通常會產生位錯、微管道、堆垛層錯、多型夾雜以及包裹體等缺陷組織。
位錯是一種由應變引起的線缺陷，位錯的產生會嚴重影響力學性能和電學性能；微管道的存在會對SiC基器件產生致命性的影響，高壓器件即使只有一個微管道也會導致器件的破壞，微管道的形成機理目前尚未形成共識，仍在研究中。如下圖所示為Si面的位錯腐蝕坑，其中大的六方形腐蝕坑為微管；中等尺寸的六方形腐蝕坑為螺位錯，呈現六角形，小的六方形腐蝕坑為刃位錯，橢圓形腐蝕坑的為面位錯。
圖1 Si面的位錯腐蝕坑
SiC晶體中某個區域堆垛次序偏離了原本的堆垛次序，就會產生錯排，從而形成堆垛層錯。多型夾雜的產生是由于不同的SiC晶型的生長溫度區間有重疊，而多型之間有具有良好的結晶學相容性和相近的自由能，這種缺陷的存在會破壞SiC晶體的結構完整性。SiC晶體在生長過程中吸附一些較大的雜質粒子就會形成鑲嵌結構和包裹體缺陷。
微觀應力
SiC晶體中會產生微觀應力，一方面是由于SiC晶體中產生的各種缺陷，例如上述缺陷組織和周圍正常格點之間產生的畸變，會在周圍產生應力場。另一方面，SiC晶體的非均勻生長也會產生應力，例如SiC晶體生長的坩堝內存在的軸向和徑向的溫度梯度，他的存在導致SiC晶體表面生長速率不一致，從而使得生長出的SiC晶錠表面呈現凹凸不平的形態。應力的存在會在后期加工過程中（滾圓、表面磨削、多線切割等）很容易造成開裂，較好的降低SiC晶片的成品率。
碳化硅晶體的高溫退火處理工藝
在PVT法生長SiC單晶的過程中，不可避免的會產生很多缺陷和應力，為了提高SiC晶體的結晶質量，減少組織缺陷和熱應力，必須對SiC晶體進行高溫退火處理。該過程基本可以分為“升溫——保溫——降溫”三個過程，這三個過程可以重循環多次。由于SiC晶體的耐高溫能力強，為了大限度的降低熱應力，晶片的退火溫度比較高，一般在1800℃左右。
圖2 SiC晶片退火工藝流程
皓越電爐自主研發的高溫真空臥式退火爐有高溫反應系統，加熱系統，真空系統，控制系統構成。加熱系統采用石墨加熱，額定功率可達60KW，設計工作溫度為2300℃，可以保持升溫過程中腔體內工作區域較大范圍內溫度場均勻恒定。系統的溫度測量分為兩種，在低于1600℃時采用β型熱電偶，高于1600℃時采用紅外測溫儀，溫度精度可以控制在±1℃，該退火爐可以使用不同的退火氣氛，并可以調節壓力值，通過機械泵和分子泵聯合抽真空，使退火爐內達到較高的真空度。
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