碳化硅（SiC）作為第三代寬禁帶半導體材料，因優異的高溫穩定性、高擊穿場強和高熱導率，在高壓、高頻、高溫電子器件中具有重要應用前景。SiC外延層的質量，尤其是厚度均勻性，直接決定了器件的性能與可靠性。目前，6英寸SiC外延技術已相對成熟，但隨著器件向更大尺寸、更高性能方向發展，8英寸SiC外延層的制備成為研究熱點。然而，由于反應器尺寸擴大帶來的熱場、流場和反應動力學的復雜性，傳統工藝參數對8英寸外延層厚度均勻性的影響機制尚不明確。
《人工晶體學報》2025年第9期發表了來自清華大學鄭麗麗教授課題組的《熱壁CVD制備工藝對8英寸SiC外延層厚度均勻性的影響》（第一作者：鹿潤林；通信作者：鄭麗麗）。該文基于典型8英寸熱壁臥式SiC外延生長系統，建立了包含襯底轉動、Si-C-Cl-H體系反應機理和多物理場耦合的數學模型，系統研究了襯底溫度、進氣流量和Si/H2比對SiC外延層生長速率和厚度均勻性的影響，為大尺寸SiC外延工藝優化提供了理論依據和仿真基礎。
論文題錄●●
鹿潤林, 鄭麗麗, 張輝, 王人松, 胡動力. 熱壁CVD制備工藝對8英寸SiC外延層厚度均勻性的影響[J]. 人工晶體學報, 2025, 54(9): 1509-1524.
LU Runlin, ZHENG Lili, ZHANG Hui, WANG Rensong, HU Dongli. Impacts of Hot Wall CVD Process Conditions on Thickness Uniformity of 8-Inch SiC Epitaxial Layer[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(9): 1509-1524.
//文章導讀
研究團隊構建了包含進氣結構、熱場結構和旋轉襯底的三維反應器模型，采用有限體積法對流動、傳熱、傳質及表面反應過程進行耦合求解。圖1展示了外延系統的結構示意圖，包括進氣結構和熱場結構兩部分。圖2進一步明確了計算域和邊界條件，為后續三維仿真提供了參考。模型考慮了43種氣相組分、123個氣相反應和26個表面反應，能夠準確描述前驅體分解、生長組分輸運和SiC沉積過程。表1列出了仿真中使用的石墨、隔熱材料和石英玻璃的熱物性參數，這些參數隨溫度變化，增強了模型的準確性。
圖1 外延系統結構圖。(a)x-z立體剖面圖；(b)y-z斷面圖；(c)x-y剖面圖
圖2 外延系統計算域和邊界條件（結構尺寸非等比例繪制），圖中給出三維計算域的x-z截面
表1 仿真中使用的材料熱物性（溫度T單位為K）
圖3展示了襯底旋轉對反應區下表面溫度分布的影響。當襯底不旋轉時，反應區下表面溫度分布為幾乎平行的等值線簇，襯底表面最高與最低溫度差達24.5 K；而當襯底以50 r/min旋轉時，襯底表面溫度等值線為一簇同心圓，表明襯底表面溫度分布具有旋轉對稱性，最高與最低溫度差值降低至13.7 K。這一結果為后續分析生長速率均勻性提供了熱場基礎。
圖3 外延生長系統內反應區下表面溫度分布，襯底旋轉速率分別為0(a)和50 r/min(b)，氣流方向自左向右
圖4和圖5進一步揭示了反應區內各組分的濃度分布特征。前驅體SiHCl3和C2H4在高溫下分解為Si、SiCl、C2H2等生長組分，其濃度沿流向先增后減，壁面附近的濃度峰值更靠前，反映了前驅體分解與表面消耗的動態平衡。圖6和圖7展示了基準條件下反應區上下表面的瞬時生長速率分布。可以看出，生長速率沿流向先迅速上升后逐漸下降，且在襯底前緣區域下表面略高于上表面，這與溫度分布的差異密切相關。
圖4 反應區下表面處主要組分摩爾分數沿流動方向變化。(a)C-H組分和有機硅組分；(b)Si-H-Cl組分
圖5 反應區下表面處（實線）和表面上方11 mm處氣流內（虛線）的溫度和生長組分摩爾分數沿流動方向變化，分別為溫度(a)、C2H2摩爾分數(b)、SiCl摩爾分數(c)、Si摩爾分數(d)
圖6 基準算例中反應區內瞬時生長速率分布（單位：μm·h-1）。(a)反應區下表面；(b)反應區上表面，氣流方向自左向右
圖7 反應區下表面處（實線）和上表面處（點劃線）的瞬時生長速率(a)和溫度(b)沿流向變化
圖8和圖9進一步分析了旋轉襯底下瞬時生長速率與實際生長速率之間的關系。由于襯底旋轉，表面上每一點在旋轉周期內經歷不同的瞬時生長速率，其時間平均值即為實際生長速率。圖9(a)顯示，襯底前緣（θ=180°）和后緣（θ=0°）處的瞬時生長速率分布存在差異，但其平均值沿徑向變化較小，說明旋轉在一定程度上補償了流向不均勻性。圖9(b)對比了實際生長速率與忽略橫向分布的近似值，兩者基本吻合，表明瞬時生長速率的流向分布是影響外延層厚度均勻性的主要因素。
圖8 旋轉襯底示意圖
圖9 襯底表面沿徑向的瞬時和實際生長速率分布。(a)θ=0°（實線）和θ=180°（虛線）處瞬時生長速率及其平均值（點劃線）；(b)實際生長速率（實線）及其近似值（點線）
在參數化研究部分，作者系統改變了襯底表面平均溫度、進氣流量和進氣Si/H2比，考察它們對生長速率和均勻性的影響（見表2）。圖10和圖11展示了不同生長溫度（1823、1923、2023 K）下溫度、組分濃度和生長速率的變化。隨著溫度升高，Si組分濃度顯著提升，瞬時生長速率由“上凸”型逐漸轉變為“下凸”型，導致實際生長速率分布從“邊緣低、中心高”向“邊緣高、中心低”轉變。圖12進一步表明，提高溫度雖能提升平均生長速率，但對均勻性的改善有限，且會加劇石墨件表面的寄生沉積，不利于實際生產。
表2 參數化研究中各參數取值范圍
圖10 生長溫度分別為1823（圓形）、1923（三角形）和2023 K（方形）時，反應區下表面中央（實線）和表面上方11 mm處（虛線）的氣流溫度(a)、C2H2摩爾分數(b)、SiCl摩爾分數(c)以及Si摩爾分數(d)沿流向變化
圖11 生長溫度分別為1823（圓形）、1923（三角形）和2023 K（方形）時，瞬時生長速率沿流向變化(a)和歸一化的實際生長速率（實線）及忽略橫向分布的近似值（點線）沿襯底徑向的分布(b)
圖12 不同生長溫度對襯底平均生長速率（圓形）和生長速率分布非均勻性（三角形）的影響
圖13和圖14研究了進氣流量（50、100、150 slm）的影響，發現增大流量會推遲前驅體分解，使生長速率峰值下移，瞬時生長速率由“下凸”向“上凸”轉變。圖15顯示，平均生長速率隨流量增加而提升，但增速放緩；均勻性則在100 slm時最優，低于或高于該值均會導致不均勻性上升。此外，高流量雖能抑制寄生生長，但會降低原料利用率，需在工藝中權衡。
圖13 進氣流量分別為50（圓形）、100（三角形）和150 slm（方形）時，反應區下表面中央溫度（實線）和表面上方11 mm處氣流溫度(a)、C2H2摩爾分數(b)、SiCl摩爾分數(c)以及Si摩爾分數(d)沿流向變化
圖14 進氣流量分別為50（圓形）、100（三角形）和150 slm（方形）時，瞬時生長速率沿流向變化(a)和歸一化的實際生長速率（實線）及忽略橫向分布的近似值（點線）沿襯底徑向的分布(b)
圖15 不同進氣流量對襯底平均生長速率（圓形）和非均勻性（三角形）的影響
圖16~18研究了進氣Si/H2比（0.05%~0.25%）的影響。提高Si/H2比會顯著提升Si和SiCl的濃度，但對C2H2影響較小。圖17(a)顯示，隨著Si/H2比增加，瞬時生長速率由“下凸”逐漸轉為“上凸”，實際生長速率分布也從“邊緣高、中心低”轉變為“邊緣低、中心高”。圖18進一步表明，平均生長速率與Si/H2比近似呈線性關系，而均勻性則在某一中間值最差，說明通過調控Si/H2比可在一定范圍內優化均勻性。
圖16 進氣Si/H2比分別為0.05%（圓形）、0.15%（三角形）和0.25%（方形）時，反應區下表面中央溫度（實線）和表面上方11 mm處的氣流溫度(a)、C2H2摩爾分數(b)、SiCl摩爾分數(c)以及Si摩爾分數(d)沿流向變化
圖17 進氣Si/H2比分別為0.05%（圓形）、0.15%（三角形）和0.25%（方形）時瞬時生長速率沿流向變化(a)和歸一化的實際生長速率（實線）及忽略橫向分布的近似值（點線）沿襯底徑向的分布(b)
圖18 不同Si/H2比對襯底平均生長速率（圓形）和非均勻性（三角形）的影響
結 論
本文對典型臥式熱壁反應器開展了包含詳細反應機理的流動、傳熱和傳質三維仿真，表明襯底旋轉提高了襯底表面溫度均勻性；反應區內下表面瞬時生長速率同時存在著沿流向和沿橫向的分布，其中沿流向的分布變化對實際生長速率的非均勻性影響顯著，而沿橫向的分布變化對非均勻性影響很小。對于旋轉襯底，實際生長速率的均勻性要求襯底表面θ=0°和θ=180°處的瞬時生長速率互相匹配。瞬時生長速率沿流向具有上凸或下凸的分布時，實際生長速率的非均勻性較大；當襯底表面的瞬時生長速率介于上凸和下凸之間，沿流向接近于S形分布時，實際生長速率的非均勻性最小。
單因素參數化研究表明，提高生長溫度、降低進氣流量和降低進氣Si/H2比將促使瞬時生長速率沿流向的分布由上凸向下凸轉變，從而使實際生長速率的分布從邊緣低中間高逐漸過渡為邊緣高中間低。考慮到實際應用中反應器的生長溫度受到限制，通過合理地選擇進氣流量和進氣Si/H2比，調整瞬時生長速率沿流向的分布，可以在調整外延層生長速率的同時降低厚度非均勻性。以上結果揭示了工藝參數對外延層厚度均勻性的影響機制，為大尺寸外延反應器設計和工藝參數優化提供了基礎。
結合生長組分的濃度分布來看，提高生長溫度、降低進氣流量、降低進氣Si/H2比都加快了硅前驅體的分解。上述共通性表明氣流中前驅體分解以及生長組分向表面的擴散過程是影響瞬時生長速率沿流向分布的重要因素。目前Si-C-H-Cl體系中，硅前驅體分解相關機理的反應速率參數尚缺少充分的實驗數據驗證，且可能存在其他分解路徑；部分組分（如SiCl2和SiCl）的輸運性質在公開文獻中少有報道。對Si-C-H-Cl體系反應機理的進一步完善應考慮上述問題，從而進一步提高數值模型的準確性。
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來源：人工晶體學報
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