一、 研究背景：大尺寸化是降本核心路徑
碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體的核心材料，因其寬禁帶、高擊穿電場、高導(dǎo)熱率等優(yōu)異性能，在新能源汽車、光伏逆變、軌道交通等高壓、高頻、大功率場景中具有不可替代的優(yōu)勢。目前，6至8英寸SiC襯底已實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，但 AR 眼鏡、先進封裝等新興場景對成本提出更高要求，擴大晶圓尺寸是降低 SiC 器件成本、推動產(chǎn)業(yè)普及的核心路徑。然而，現(xiàn)有熱場模擬研究多集中于8英寸及以下尺寸，針對12英寸SiC晶體生長過程中生長區(qū)與原料區(qū)的耦合熱場系統(tǒng)優(yōu)化，以及其與新型電阻加熱爐的適配性研究仍較為缺乏。
二、 核心成果：仿真優(yōu)化與實驗驗證雙突破
針對上述挑戰(zhàn)，本研究團隊開展了系統(tǒng)性工作。研究首先通過數(shù)值模擬，深入分析了新型電阻加熱爐內(nèi)12英寸SiC晶體生長區(qū)與原料區(qū)的熱場分布特性。經(jīng)過綜合對比與優(yōu)化，團隊確定了45 kW加熱功率、無外部保溫、無頂部保溫的適宜工藝參數(shù)組合。
最后在該優(yōu)化參數(shù)下進行實驗驗證，成功制備出直徑 300 mm、厚度約 20 mm 的 SiC 多晶晶錠，驗證了該電阻爐對 8-12 英寸碳化硅晶體生長的兼容性，進一步降低了生長成本。這項成果為后續(xù)團隊生長 12 英寸 4H-SiC 單晶生長提供了可靠方案。
三、 關(guān)鍵設(shè)備：國產(chǎn)新型電阻爐提供強力支撐
本次晶體生長采用深圳海目芯微電子裝備科技有限公司自主研發(fā)的雙瓣式新穎電阻加熱爐。該新型雙瓣式電阻加熱爐具備以下突出特點：
便捷維護：采用前開式長晶腔體設(shè)計，熱場更換與維護簡便，坩堝取放自動化程度高。
穩(wěn)定可靠：獨有的防打火設(shè)計，確保加熱器與電極永不打火，極大延長了加熱元件的使用壽命。
工藝可控：特殊的三相低電壓大電流石墨加熱器設(shè)計，可根據(jù)工藝需求靈活調(diào)節(jié)軸向（△Ts）與徑向（△Tr）溫度梯度，獲取最佳長晶溫梯參數(shù)。
全程精準：實現(xiàn)長晶全過程（通常144-168小時）軸向與徑向溫度的實時監(jiān)控與閉環(huán)控制，保障了工藝的溫度穩(wěn)定性與再現(xiàn)性。
兼容性強：一臺設(shè)備兼容8至12英寸SiC晶體生長，為產(chǎn)業(yè)化提供了高效、經(jīng)濟的裝備解決方案。
四、 研究意義與團隊介紹
本研究建立了一套適配新型國產(chǎn)電阻爐的12英寸SiC熱場仿真與優(yōu)化方法，明確了關(guān)鍵工藝窗口，并通過實驗完成了驗證，實現(xiàn)了“仿真指導(dǎo)-實驗驗證”的閉環(huán)。該成果不僅為12英寸SiC襯底的產(chǎn)業(yè)化奠定了重要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)，也為團隊后續(xù)開展12英寸4H-SiC單晶的正式生長提供了直接、可靠的工藝方案。
此項研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目(2024YFB3816700)、寧波市青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃項目(2024QL018)以及浙江省重點研發(fā)計劃項目(2024SSYS0052)的資助。論文工作由上海電機學(xué)院研究生李偉填作為第一作者完成。研究采用了“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同創(chuàng)新模式，聯(lián)合了海目芯微電子裝備科技有限公司、晶曜盛巳（寧波）半導(dǎo)體有限公司等產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，共同推動了我國第三代半導(dǎo)體高端裝備與材料技術(shù)的自主可控進程。
上海電機學(xué)院超&寬禁帶半導(dǎo)體團隊長期聚焦于SiC、氮化鋁（AlN）等超寬禁帶半導(dǎo)體材料的晶體生長技術(shù)與核心裝備研發(fā)，致力于為我國半導(dǎo)體戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供源頭創(chuàng)新與人才支撐。
論文信息:
WeiTian Li, Dan Liu, Song Yang*, ShaoYi Jiang, XueChao Liu*, YunZhou Xue, JianChao Gong, Lin Du, MingGao Ding, Ying Wang*, ShaoLong He, Min Jin, LianYi Xu, RongBin Li and Pan Gao*. Thermal field simulation and optimization of 12-inch SiC crystals grown in a novel resistance heating furnace. CrystEngComm, 2026, 28, 2164-2172.
DOI: 10.1039/D6CE00027D
信息來源：上海電機超&寬禁帶半導(dǎo)體實驗室，聯(lián)盟編輯整理
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