采用双环形顶部加热器设计的 8 英寸 SiC 单晶生长界面控制

《Journal of Crystal Growth》：Growth interface control of 8-Inch SiC single crystal using a double-ring top heater design

　　

摘要 为了实现对大尺寸 4H-SiC 单晶生长界面的精确控制，本研究提出了一种改进设计，即在坩埚顶部引入双环加热器。建立了数值模型，深入研究双环顶部加热器的关键尺寸参数对热场、晶体生长界面形态、热应力和位错密度的影响。结果表明，当 ??m/??c = 0.56 且环间距为 27 mm 时，籽晶的径向温度梯度降至 ?0.03 °C/cm，生长界面呈微凹形态。在此条件下，晶体内部热应力相对较低，位错密度在所有尺寸配置中最低。在此基础上，将双顶部加热器的功率降低 150 W，使籽晶的径向温度梯度从负值变为正值，达到 0.06 °C/cm，生长界面转变为理想的近乎平坦且微凸的形态。实际生长实验中制备的 8 英寸 SiC 单晶的界面形态与模拟结果高度一致，验证了该方案在实现大尺寸 4H-SiC 单晶低缺陷制备方面的有效性。

引言 碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体的核心材料。它具有临界击穿电场高、热导率优异和电子饱和漂移速度高等特点 [1], [2], [3], [4]，使其广泛应用于需要高电压、频率和功率的领域，包括新能源、电力牵引和智能电网 [5], [6]。随着下游领域对低成本、高性能功率器件需求的增长，扩大 SiC 单晶衬底的直径已成为降低器件制造成本的关键途径。目前，6 英寸 SiC 衬底已实现量产，而 8 英寸及更大直径的 SiC 晶体已成为产业界和学术界发展的焦点 [7]。

物理气相传输（PVT）法是 SiC 单晶工业生产中使用广泛的一种生长方法 [8]。PVT 生长系统中常用的加热方法是感应加热。尽管它具有高能量转换效率，但其线圈结构可能限制热场调节的灵活性 [9], [10]。相比之下，电阻加热（加热器与坩埚分离）允许更灵活的热场设计，并在大尺寸晶体生长方面展现出更大的潜力 [11], [12]。然而，随着晶体直径扩大到 8 英寸（200 mm），石墨坩埚的尺寸显著增加。因此，从外到内的热阻急剧上升，这可能导致晶体中心温度低于边缘，径向温差相应扩大。较大的径向温差会在晶体内部诱导较高的热剪切应力 [13], [14]，可能导致位错 [15], [16] 和微管 [17] 等缺陷加剧，在严重情况下，可能导致晶体开裂 [18] 和不规则晶体生长。因此，精确调节生长界面处的径向温度梯度被认为是获得高质量、大尺寸 SiC 单晶的重要因素。

为了调节籽晶表面的径向温度分布，现有研究广泛探索了加热器布局和结构参数的优化。Lu 等人 [19] 研究了加热器温度、长度和辐射孔径对温度分布的影响，报告称单孔扩张可能导致晶体中心过冷、径向温度梯度增加以及轴向温度分布不均匀，使得难以获得理想的顶部热场。Wang 等人 [20] 发现，当单环顶部加热器与侧部和底部加热器结合时，晶体边缘会出现异常分解或变薄。Xu 等人 [21] 通过调整三个分离侧加热器的结构和功率参数，独立加热粉末源区、生长区和籽晶区，从而改进了热场调节。然而，此类优化方案通常在温度均匀性和界面形态之间存在权衡——过度强调径向温度均匀性会导致生长界面相对平坦，这可能会降低位错抑制的有效性。总体而言，现有的单顶部加热器方案在径向温度梯度的精细调节方面存在局限性，而使用多个侧加热器方案可能因过度强调径向温度均匀性而导致界面形态不理想。

为解决这些问题，本研究提出了一种改进设计，即在坩埚顶部引入双环加热器，并为大尺寸 SiC 晶体生长的热场设计提供了见解。首先，建立了 8 英寸电阻加热 SiC 晶体生长炉的数值模拟模型，分析不同加热器配置的影响。通过比较传统设计与提议的结构，指出现有方案在界面调节方面的局限性。然后研究了双环顶部加热器的关键结构参数对热场和生长界面形态的影响，并探索了相应的功率调节策略以实现改进的界面特性。最后，进行了 8 英寸 SiC 单晶生长实验以验证模拟结果并评估所提方法的可行性。

章节片段

模拟建模与材料参数
本研究使用晶体生长模拟软件 VR-PVT 来模拟 8 英寸 4H-SiC 单晶的生长过程。如图 1a 所示，电阻炉主要由绝缘桶、加热器、坩埚、籽晶和 SiC 粉末组成。计算网格如图 1b 所示。为了确保数值准确性，通过细化四个关键区域（绝缘桶、坩埚、SiC 粉末和籽晶）的网格进行了网格无关性研究。

温度拟合与传热
在本研究中，侧加热器和底部加热器的功率控制是通过模拟软件的温度拟合函数实现的，而顶部加热器的功率是自定义定义的。每个侧部和底部加热器对应一个参考点；侧加热器的参考点温度设置为 2200 °C，底部加热器的参考点温度设置为 2300 °C。在计算过程中，软件自动调整这些侧部和

无顶部加热器和单顶部加热器的影响
首先对电阻炉中无顶部加热器的基准配置和三种具有单顶部加热器的配置进行对比分析。图 4 说明了本节研究的四种加热器配置。Th0 是无顶部加热器的基准配置。Th1 系列代表单顶部加热器配置，基于加热器在坩埚顶部的径向位置设计了三种尺寸配置：在 Th1-1 中，顶部

实验验证
为了验证所提双环顶部加热器设计的有效性以及数值模拟的准确性，进行了 8 英寸 4H-SiC 单晶生长实验。使用了优化配置 Th2-4–150。生长过程持续 24 小时。实验在 300 Pa 的氩气气氛中进行。

图 14a 显示了实际生长的单晶尺寸。还可以观察到均匀的径向厚度分布。晶体界面微凸且近乎平坦。

结论
本研究通过数值模拟和实验验证，解决了 8 英寸 4H-SiC 单晶物理气相传输（PVT）生长过程中控制径向温度梯度和界面形态的挑战。主要结论如下：
(1) 模拟表明，在没有顶部加热器的情况下，籽晶处的径向温度梯度难以控制，导致晶体生长厚度较大。引入单顶部加热器

CRediT 作者贡献声明
韦班：写作 - 审阅与编辑，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。王晓燕：写作 - 原稿撰写，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。胡建荣：写作 - 审阅与编辑，监督，资源。王传勇：写作 - 审阅与编辑，验证，资源，调查。欧阳鹏根：写作 - 审阅与编辑，验证，资源，调查，形式

竞争利益声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或可能影响本论文报告工作的个人关系。

致谢
这项工作得到了中国宁夏重点研发项目（项目编号 2025BEE04002）的支持。

韦班 | 王晓燕 | 胡建荣 | 王传勇 | 欧阳鹏根
中国宁夏大学机械工程学院，宁夏银川 750021