PVT法：成熟工艺背后的“高温困局”
工艺原理与核心流程
PVT法是目前商用碳化硅单晶的主流技术，其原理是通过高温（>2000℃）将碳化硅粉料升华成气相，再在籽晶表面冷凝结晶。关键步骤包括：- 原料合成：高纯硅粉与碳粉在2000℃以上反应生成多晶碳化硅颗粒；
- 晶体生长：在密闭石墨炉内，通过精确控制温度梯度（轴向温差约50℃/cm）和压力（0.2-80kPa），实现气相传输和晶体扩径；
- 冷却加工：生长完成后需以极缓慢速率降温（约1℃/分钟），避免因热应力导致晶体开裂。
2. 技术难点与产业瓶颈
尽管PVT法已发展40余年，但良率低（约30%-50%）和成本高仍是核心痛点：- “黑匣子”式生长环境：2000℃以上的高温使测温精度受限，工艺参数依赖经验积累，难以实时监控；
- 晶型控制难题：碳化硅存在200多种晶型，而商用需求集中于4H-SiC。生长过程中微小的温度波动即可引发相变，导致多型夹杂缺陷；
- 晶体缺陷密度高：微管、位错等缺陷密度达102-103/cm²，直接影响器件可靠性；
- 扩径速度慢：生长速率仅0.3-0.5mm/h，6英寸晶锭需连续生长7-10天，能耗成本占总成本40%以上。
液相法：低成本破局者的崛起之路
工艺革新与突破性优势
液相法通过助溶剂（如硅基合金）降低碳化硅熔点（约1500℃），在近平衡态下实现晶体生长。其核心优势包括：- 温度大幅降低：生长温度较PVT法降低约500℃，设备损耗减少30%；
- 晶体质量跃升：缺陷密度可降至PVT法的1/10，无巨台阶聚并现象，电阻率低至0.1Ω·cm；
- P型晶体突破：可稳定制备4H-SiC P型晶体，为IGBT等高压器件提供材料基础；
- 扩径效率高：中科院团队利用液相法生长了6英寸和8英寸的P-4H-SiC单晶。其中，8英寸P型4H-SiC单晶生长，厚度达8mm。
2. 产业化障碍与攻关方向
- 助溶剂杂质控制：残留金属杂质（如Fe、Al）需降至0.5ppm以下，否则影响电学性能；
- 生长速率平衡：过快生长易引入缺陷，而速度过低（如常规LPE法仅0.01mm/h）难以满足量产需求；
- 设备适配难题：需开发耐腐蚀反应腔体，日本某企业的MPZ技术虽将速率提升200倍，但设备成本仍高。
PVT vs 液相法：技术路线对决
未来趋势：技术融合与尺寸升级
1. 8英寸晶圆竞赛加速
- PVT法：Wolfspeed已量产8英寸衬底，国内天岳先进、天科合达等也在快马加鞭扩充产能；
- 液相法：中科院联合企业突破8英寸P型晶体，但良率仍需提升。
结语：碳化硅时代的“双轨并行”
PVT法凭借成熟工艺仍将主导未来5年市场，但液相法在成本与性能上的潜力不容小觑。随着新能源汽车对800V高压平台的需求爆发，以及光伏逆变器对耐高温器件的渴求，两种技术或将形成互补。这场技术博弈的终局，或将由谁能率先突破“缺陷控制”与“成本阈值”决定。
