摘要：通過調節中頻感應線圈的輸出功率來改變碳化硅升華生長坩堝的加熱溫度，并采用 NaCl 和 Al2O3 進行燒結實驗，觀察不同輸出功率下燒結后的形貌變化，確定了相應的溫度，得到了輸出功率與加熱溫度的對應關系，實現了精確的溫度控制。將測溫結果與紅外光電高溫計的測溫結果進行了比較。在此基礎上，根據溫度測量結果制備SiC晶粒。拉曼光譜結果表明SiC多型為6H，SiC晶粒分布均勻，SiC晶粒尺寸均勻致密。

引言

第三代半導體材料SiC具有寬禁帶、高熱導率、高臨界電場、高飽和電子漂移速度等優異的物理性能，并且具有化學穩定性和耐輻射性，是制備高性能半導體材料的有希望的候選材料。電力、耐高溫、高頻和耐輻射器件、紫外線探測器和短波長發光二極管[1-3]。

物理氣相傳輸（PVT）生長是制備大尺寸SiC晶體的主要方法。其基本工作原理是SiC粉末被加熱到2000℃升華，氣相在軸向溫度梯度的作用下轉移到SiC籽晶表面，并在溫度較低的SiC籽晶表面重結晶并定向生長，最終實現晶體生長[4]。氣體壓力、溫度場分布、氣相成分、籽晶質量等各種參數在晶體生長過程中起著重要作用，而且這些參數之間存在相關性，難以實現有效控制，因此，大量的微管、制備的碳化硅晶體中會存在位錯、堆垛層錯、小角度晶界等缺陷[5-9]。這些缺陷嚴重影響晶體的質量，其應用前景和范圍受到限制。

坩堝內溫度場分布是影響晶體質量的重要因素[10]。由于各種SiC多型晶體具有一致的晶體相容性和相似的形成能，這往往會導致在一定條件下制備的SiC晶體中多種多型結構共存[11,12]，因此坩堝內溫度的精確控制對于獲得高的SiC晶體性能至關重要。優質碳化硅晶體。SiC晶體的生長溫度超過2000℃，晶體生長過程中反應室是密封的，這意味著我們只能使用紅外光電測溫儀從外部通過特定的窗口測量內部溫度，而在漫長的晶體生長過程中，窗口很容易被污染，這使得兩者都會影響測量的準確性。另外，由于溫度相對較高且存在氣體運動，只能得到相對溫度。這種測量方式對高質量SiC晶體的生長也有負面影響，因為測溫孔直接暴露在生長室中，在高溫下有明顯的輻射現象，造成熱量損失和溫度場分布的變化，所制備的晶體在生長過程中容易出現缺陷。

在本文中，我們報告了一種精確測量和控制碳化硅升華生長溫度的新方法。通過調節中頻感應線圈的輸出功率來改變生長坩堝內的加熱溫度，觀察不同輸出功率下燒結的NaCl和Al2O3的形貌變化，確定相應的溫度。系統研究了溫度與輸出功率之間的對應關系，得到了SiC升華生長溫度的測量和精確控制方法。測溫結果與紅外光電高溫計的測溫結果一致。采用場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）和拉曼光譜分析了在適當升華溫度下制備的SiC的生長結果，并研究了中頻感應線圈的輸出功率與加熱溫度的對應關系。為升華生長溫度的選擇和控制提供了依據。

實驗

本實驗以高純SiC粉(99.999%)、NaCl粉(99.99%)和Al2O3(99.99%)為原料,通過調節中頻感應線圈的輸出功率來調節溫度。當加熱NaCl和Al2O3時，腔內壓力為10Torr，時間分別為1h和1.5h。實驗過程中采用紅外光電高溫計監測溫度。然后，在原料區溫度為2300℃，室中壓力為10Torr，時間為2h進行SiC升華生長。使用拉曼光譜分析多型結構，并使用FESEM表征所制備的SiC顆粒的表面形貌。

結果與討論

NaCl 和 Al2O3 的溫度測量

將30g NaCl樣品置于相同結構的石墨坩堝中，通過中頻感應線圈對坩堝進行加熱（見圖1），輸出功率設置為4.5 kw、4.2 kw、4.1 kw、4.0 kw、3.9 kw，功率分別為3.8 kw和3.7 kw，結果如表1所示。當輸出功率小于3.9 kw時，由于坩堝內溫度升高，氯化鈉樣品形成較小的硬度結塊，坩堝蓋上出現微量升華顆粒。在這些輸出功率下未達到 NaCl 的熔點（801 ℃）。當輸出功率大于4.0 kw時，隨著輸出功率的增加，NaCl樣品開始熔化，并在坩堝蓋內表面重結晶，原料區殘留的NaCl量減少，坩堝內表面晶粒數量減少。坩堝蓋明顯增大。因此，我們認為，當中頻感應線圈的輸出功率為4.0 kw時，加熱溫度約為NaCl的熔點溫度（801 ℃）。

圖1 石墨坩堝示意圖；（一）原料區；(2)晶粒生長區域。

表1 不同輸出功率下NaCl樣品的燒結結果。

同樣，將30g Al2O3樣品置于同一坩堝中加熱，輸出功率分別設置為8.0kw、7.9kw、7.8kw、7.7kw、7.6kw、7.5kw和7.4kw。結果如表2所示。當輸出功率小于7.6 kw時，由于坩堝內溫度未達到Al2O3的熔點(2030 ℃)，Al2O3樣品形成較小的硬度結塊，坩堝蓋上出現微量的升華晶粒。當輸出功率大于7.7 kw時，Al2O3樣品開始在坩堝蓋內表面熔化并再結晶，隨著輸出功率的增加，原料區殘留Al2O3量減少，晶粒數量增加。剩余樣品和Al2O3晶粒的形貌如圖2所示。剩余的Al2O3表現出明顯的沸騰狀態，并且Al2O3晶粒的尺寸隨著輸出功率的增加而增大，這表明當介質的輸出功率工頻感應線圈功率為7.7kW，加熱溫度約為Al2O3的熔點溫度（2030℃）。

圖2 不同輸出功率下Al2O3樣品的形貌；(a) 7.7 千瓦和 (b) 8.0 千瓦；不同輸出功率下坩堝蓋上Al2O3顆粒的形貌；(c) 7.7 千瓦和 (d) 8.0 千瓦。

表2 不同輸出功率下Al2O3樣品的燒結結果。

中頻感應線圈的輸出功率與加熱溫度的對應關系可近似視為線性關系。利用上述實驗收集的數據，可以建立輸出功率與加熱溫度之間的定量關系：

y = 3.01 × 10^-3^x + 1.59 (y > 3)

式中，x為加熱溫度，y為中頻感應線圈的輸出功率，式中y>3。

基于上述定量關系，在任意輸出功率下都可以獲得相應的溫度，這對SiC升華生長的溫度控制具有重要意義，為我們實現晶體生長溫度的精確控制提供了可能。

紅外測溫

在上述測溫實驗中，我們認為輸出功率與加熱溫度的對應關系是線性的，以驗證上述對應關系的準確性，我們將計算結果與紅外光電高溫計測量的溫度進行了比較，選擇的三種輸出功率分別為7.7 kw、8.2 kw和8.5 kw。根據上述關系，對應的溫度分別為2029.9℃、2196℃、2295.7℃。為了準確獲得各輸出功率對應的加熱溫度，各輸出功率設定值保持30 min以上進行熱平衡。加熱溫度隨著輸出功率設定值的增加而逐漸升高，當加熱時間持續30 min以上時趨于穩定（見圖3）。輸出功率為7.7kw、8.2kw、8.5kw時，實測溫度分別為2030℃、2193.1℃、2287.7℃，與計算結果分別相差0.1℃、-2.9℃、-8℃。隨著溫度升高，差異增大，這是由于熱損失導致測量結果與實際加熱溫度相比略低，這是由隔熱毛氈溫度計孔造成的。同樣的原因，紅外測溫方法也不適合監測晶體生長過程中坩堝內部的溫度，因為溫度計孔處的熱輻射會影響溫度場的均勻性和所制備晶體的質量。同時，上述對比實驗驗證了我們從NaCl和Al2O3燒結實驗中得到的定量關系的可靠性和可行性。

圖 3 (a) 輸出功率和 (b) 加熱溫度的加熱時間依賴性。

拉曼光譜分析

微激光拉曼光譜是測定SiC晶體多晶型的常用方法，因此，通過拉曼光譜對制備的SiC晶粒進行了表征（見圖4）。根據聲子色散曲線，6H-SiC一般為軸模A、平面模E1和平面模E2，其對應的拉曼位移為967 cm-1、889 cm-1、788 cm-1、777 cm-1、766 cm-1、513.5 cm-1、504 cm-1、266 cm-1、241 cm-1、150 cm-1 和 146 cm-1 按降序排列[13,14]。從圖 4 可以看出，所制備的 SiC 晶粒的拉曼位移與 6H-SiC 一致，因此 SiC 多型體為 6H，說明在適宜的溫度和壓力下，在不加籽晶的情況下，所得產物為 6H-SiC。

圖4 6H-SiC晶粒的拉曼光譜。

表面形貌分析

圖5(a)為SiC晶粒的照片，可以看出SiC晶粒均勻致密，表明SiC升華生長過程中的溫度場合適且均勻。圖5(b)是生長的SiC晶粒的FESEM圖像。可以看出，升華生長過程中沒有籽晶，所制備的SiC晶粒尺寸均勻致密，這也歸功于適當的溫度和壓力。因此，再次驗證了我們的測溫方法的準確性和可靠性，實現了對坩堝內加熱溫度的精確監測和控制。

結論

綜上，通過 NaCl 和 Al2O3 燒結實驗，得到了中頻感應線圈的輸出功率與坩堝內加熱溫度的對應關系，并通過將計算結果與溫度進行比較，驗證了所獲得的定量對應關系的準確性和可靠性。采用紅外光電高溫計測量。采用該控溫方法在2300 ℃下制備了SiC，并對制備的SiC進行了FESEM和拉曼光譜表征，結果表明，在適宜的溫度和壓力下制備的SiC多型體為6H，晶粒均勻致密。上述結果表明，通過溫度測量可以確定生長坩堝內的溫度，實現了精確的溫度控制。

來源：半導體信息

審核編輯：湯梓紅