在自然界中，晶体不胜枚举，其分布及应用都十分广泛。例如日常生活中随处可见的盐、糖、钻石、雪花都是晶体；此外，半导体晶体、激光晶体、闪烁晶体、超硬晶体等晶体材料在工业、医疗、半导体及众多科研领域也发挥着重要的作用。
不同晶体材料之间的结构、性能以及制备方法不尽相同，但其共通特点是晶体中的原子排列规则有序，在三维空间中通过周期性堆垛，组成特定结构的晶格，因此晶体材料的外观通常会呈现出整齐规则的几何形状。
碳化硅单晶衬底材料（Silicon Carbide Single Crystal Substrate Materials，以下简称SiC衬底）也是晶体材料的一种，属于宽禁带半导体材料，具有耐高压、耐高温、高频、低损耗等优势，是制备大功率电力电子器件以及微波射频器件的基础性材料。
SiC单晶是由Si和C两种元素按照1:1化学计量比组成的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料，硬度仅次于金刚石。
C原子和Si原子都有4个价电子，可以形成4个共价键，组成SiC基本结构单元——Si-C四面体，Si原子和C原子的配位数都是4，即每个C原子周围都有4个Si原子，每个Si原子周围都有4个C原子。
（SiC的Si-C四面体结构示意图）
SiC衬底作为一种晶体材料，也具有原子层周期性堆垛的特性。Si-C双原子层沿着[0001]方向进行堆垛，由于层与层之间的键能差异小，原子层之间容易产生不同的连接方式，这就导致SiC具有较多种类的晶型。常见晶型有2H-SiC、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC等，其中，按照“ABCB”顺序进行堆垛的结构称为4H晶型。虽然不同晶型的SiC晶体具有相同的化学成分，但是它们的物理性质，特别是禁带宽度、载流子迁移率等特性有较大的差别。其中，4H晶型各方面的性能更适合半导体领域的应用。
（4H晶型示意图）
生长温度、压力等多种因素都会影响SiC衬底的晶型稳定性，因此想要获得高质量、晶型均一的单晶材料，在制备过程中必须精确控制如生长温度、生长压力、生长速度等多种工艺参数。
目前SiC晶体的生长方法主要有物理气相传输法(Physical Vapor Transport Method, PVT法)、高温化学气相沉积法(High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD法)、液相法(Liquid Phase Method)等。其中，PVT法是已发展较为成熟，更适用于产业化批量生产的方法。
所谓PVT法，是指将SiC籽晶放置在坩埚顶部，将SiC粉料作为原料放置在坩埚底部，在高温低压的密闭环境下，SiC粉料升华，并在温度梯度和浓度差的作用下向上传输至籽晶附近，达到过饱和状态后再结晶的一种方法。该方法可以实现SiC晶体尺寸和特定晶型的可控生长。
然而，使用PVT法生长SiC晶体需要在长时间的生长过程中，始终维持适宜的生长条件，否则会导致晶格紊乱，从而影响晶体的质量。但SiC晶体的生长是在密闭空间内完成的，有效的监控手段少，变量多，因此工艺控制的难度较高。
单一晶型稳定生长的主要机制：台阶流动生长模式（Step Flow Growth）
在PVT法生长SiC晶体的过程中，台阶流动生长模式（Step Flow Growth）被认为是单一晶型稳定生长的主要机制。气化后的Si原子和C原子会优先在kink点位置与晶体表面原子成键，在此处成核生长，从而使得各个台阶平行向前流动。当晶体表面产生台阶宽度远远超过吸附原子的扩散自由程时，大量吸附原子就可能发生团聚，形成的二维岛状生长模式会破坏台阶流动生长模式，导致4H晶型结构信息丢失，从而产生多型缺陷。因此，工艺参数的调节要实现对表面台阶结构的调控，以此抑制多型缺陷的产生，达到获得单一晶型的目的，最终制备出高品质的晶体。
当然，制备高品质的SiC衬底，晶体生长只是第一步，产品最终达到使用要求前，还需要经过切割、研磨、倒角、抛光、清洗、检测等一系列工序。SiC单晶作为一种硬脆材料，对于加工环节的技术要求也很高，各生产环节中产生的损伤都有可能具备一定的遗传性，传递到下一道工序，最终影响产品质量，因此高效加工SiC衬底的技术也备受产业、学术界关注。
来源：https://www.sicc.cc/product5.html
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：碳化硅晶体的生长原理
