碳化硅SiC晶體生長(cháng)最常見(jiàn)，最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(cháng)方法，生長(cháng)溫度高，對原材料以及工藝參數等都有很高的要求。近年來(lái)，國內外對PVT工藝的開(kāi)發(fā)投入了大量的時(shí)間和精力，SiC晶體的質(zhì)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(guān)應力。組織缺陷的存在會(huì )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(huì )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(guān)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(guān)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(shí)間之后，再以合適的速率冷卻的一種方法，是材料領(lǐng)域很常見(jiàn)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(cháng)完成之后都要進(jìn)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(zhì)量。

 

組織缺陷

 

    采用PVT法制備的SiC晶體中通常會(huì )產(chǎn)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(xiàn)缺陷，位錯的產(chǎn)生會(huì )嚴重影響力學(xué)性能和電學(xué)性能；微管道的存在會(huì )對SiC基器件產(chǎn)生致命性的影響，高壓器件即使只有一個(gè)微管道也會(huì )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(gè)區域堆垛次序偏離了原本的堆垛次序，就會(huì )產(chǎn)生錯排，從而形成堆垛層錯。多型夾雜的產(chǎn)生是由于不同的SiC晶型的生長(cháng)溫度區間有重疊，而多型之間有具有良好的結晶學(xué)相容性和相近的自由能，這種缺陷的存在會(huì )破壞SiC晶體的結構完整性。SiC晶體在生長(cháng)過(guò)程中吸附一些較大的雜質(zhì)粒子就會(huì )形成鑲嵌結構和包裹體缺陷。

 

微觀(guān)應力

 

    SiC晶體中會(huì )產(chǎn)生微觀(guān)應力，一方面是由于SiC晶體中產(chǎn)生的各種缺陷，例如上述缺陷組織和周?chē)８顸c(diǎn)之間產(chǎn)生的畸變，會(huì )在周?chē)a(chǎn)生應力場(chǎng)。另一方面，SiC晶體的非均勻生長(cháng)也會(huì )產(chǎn)生應力，例如SiC晶體生長(cháng)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(cháng)速率不一致，從而使得生長(cháng)出的SiC晶錠表面呈現凹凸不平的形態(tài)。應力的存在會(huì )在后期加工過(guò)程中（滾圓、表面磨削、多線(xiàn)切割等）很容易造成開(kāi)裂，極大的降低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(cháng)SiC單晶的過(guò)程中，不可避免的會(huì )產(chǎn)生很多缺陷和應力，為了提高SiC晶體的結晶質(zhì)量，減少組織缺陷和熱應力，必須對SiC晶體進(jìn)行高溫退火處理。該過(guò)程基本可以分為“升溫——保溫——降溫”三個(gè)過(guò)程，這三個(gè)過(guò)程可以重循環(huán)多次。由于SiC晶體的耐高溫能力強，為了最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(fā)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，最高工作溫度為2300℃，可以保持升溫過(guò)程中腔體內工作區域較大范圍內溫度場(chǎng)均勻恒定。系統的溫度測量分為兩種，在低于1600℃時(shí)采用β型熱電偶，高于1600℃時(shí)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(guò)機械泵和分子泵聯(lián)合抽真空，使退火爐內達到較高的真空度。

 

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