作為我國在先進(jìn)材料領(lǐng)域深耕多年的科技工作者，中國科學(xué)院物理研究所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室研究員陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)20余年，成功攻克了晶體擴(kuò)徑這一公認(rèn)的技術(shù)難題，保障了高質(zhì)量2至8英寸碳化硅晶體的穩(wěn)定生長，解決了相變抑制、微管缺陷抑制等問題。與此同時(shí)，他在國內(nèi)最早開展成果轉(zhuǎn)化，創(chuàng)建了國內(nèi)第一家碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化公司，實(shí)現(xiàn)了我國碳化硅晶體生長和加工技術(shù)從0到1，產(chǎn)品從無到有、從有到優(yōu)；突破了國外對(duì)我國碳化硅晶體生長和加工技術(shù)的長期封鎖，帶動(dòng)了我國碳化硅材料、器件和模塊產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，是推動(dòng)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合發(fā)展的先行者和實(shí)踐者。
▲2024年11月7日，陳小龍參加第五屆亞太碳化硅及相關(guān)材料國際會(huì)議
碳化硅晶體的從無到有
新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏風(fēng)電、5G通信、大數(shù)據(jù)中心……不論是國家發(fā)展的重要領(lǐng)域，還是人們身邊形影不離的電子產(chǎn)品，都離不開碳化硅晶體的助力，它也是材料領(lǐng)域發(fā)展最快、國際競(jìng)爭(zhēng)最激烈的方向之一。但在20多年前，我們卻“望其興嘆”，即使是一個(gè)僅有5毫米×5毫米的碳化硅晶體小片，我國也無法獨(dú)立自主地制造出來?？上驳氖?，在艱辛的科研歷程中，中國科學(xué)院物理研究所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室陳小龍研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打破了技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新的碳化硅晶片產(chǎn)品從無到有的重要突破，然而回望這一歷程，卻充滿了荊棘與挑戰(zhàn)。“初接觸這一領(lǐng)域時(shí)，盡管明確碳化硅單晶生長的標(biāo)準(zhǔn)方法是物理氣相傳輸法，了解了其大致原理，但對(duì)于其中的基本規(guī)律和細(xì)節(jié)卻知之甚少，需要一點(diǎn)一點(diǎn)逐步探索，從基礎(chǔ)研究開始，逐漸探知碳化硅晶體領(lǐng)域的全貌?！标愋↓?jiān)诮邮堋笆锥伎萍既恕毙麄骰顒?dòng)的采訪中回憶道?；蛴腥酥獣?，晶體的生長需要籽晶，其就像一顆種子，是未來獲得優(yōu)質(zhì)碳化硅晶體的基礎(chǔ)。然而，在1997年時(shí)，即使是一顆微小的“種子”，也是科研人員心心念念的珍寶。經(jīng)過三年的潛心研究，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“零的突破”，收獲了不足1立方厘米的碳化硅單晶。盡管體積微小，但對(duì)于碳化硅晶體領(lǐng)域的研究而言，卻前進(jìn)了一大步。陳小龍談道：“雖然當(dāng)時(shí)得到的碳化硅晶體因尺寸太小并無工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，但它的出現(xiàn)讓我們對(duì)此前的研究充滿了信心。通過一系列研究，加深了我們對(duì)物理氣相傳輸法細(xì)節(jié)的了解，明確了固體需要在2000℃-2300℃的高溫下升華為氣相，然后再運(yùn)輸?shù)嚼涠耍^而在籽晶上緩緩結(jié)晶的過程中所涉及的細(xì)節(jié)。同時(shí)，逐漸深化在這一過程中涉及的熱力學(xué)、生長動(dòng)力學(xué)等一系列相關(guān)研究?！?/span>
晶體生長的探索之路
盡管基礎(chǔ)理論研究已明確，但在實(shí)際的碳化硅晶體制備過程中，依然面臨諸多考驗(yàn)。首先，碳化硅晶體在性質(zhì)上比較特別，如同一位“百變星君”，具有200多種晶型，且在生長過程中，很容易在高溫下發(fā)生相變，即從一種晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶型。若工業(yè)中所需的晶型為4H-SiC，但在實(shí)際生長中變?yōu)?H-SiC，便無法順利交付。其次，碳化硅晶體是一位“慢性子”，其生長速度比較緩慢，常常需要生長120-150小時(shí)左右，約有一個(gè)星期之久。此外，在從固體升華為氣相的過程中，碳與硅原本1:1的固體成分比例出現(xiàn)了變化，硅的比例會(huì)有所增加，而這種成分比例的變化，很容易使晶體出現(xiàn)缺陷。面對(duì)眾多難題的考驗(yàn)，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，夜以繼日地進(jìn)行科研攻關(guān)，經(jīng)過機(jī)理提出-驗(yàn)證-機(jī)理修正-再驗(yàn)證的過程，將難題逐一擊破?！?005年，我們迎來了碳化硅晶體研究的第一個(gè)里程碑，實(shí)現(xiàn)了兩英寸碳化硅晶體的制備?？吹狡渚哂幸欢ǖ墓I(yè)應(yīng)用價(jià)值，我和團(tuán)隊(duì)成員們都為此感到振奮，這也是對(duì)我們此前科研工作的重要肯定?！标愋↓堈劦?。
補(bǔ)齊成果轉(zhuǎn)化的設(shè)備“缺位”
為更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展成果轉(zhuǎn)化，2006年便創(chuàng)建了國內(nèi)第一家碳化硅晶體產(chǎn)業(yè)化公司——北京天科合達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司（簡(jiǎn)稱“天科合達(dá)”），專注于開發(fā)碳化硅晶體生長爐和碳化硅晶體生長、加工技術(shù)，建立了完整的碳化硅晶片生產(chǎn)線。彼時(shí)，碳化硅晶體材料在國內(nèi)外的熱度較低，其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展也遠(yuǎn)不如今日廣闊，因而其相關(guān)設(shè)備及所需輔助用品均少有專門的企業(yè)涉及。因此，在天科合達(dá)初創(chuàng)時(shí)，大到晶體生長設(shè)備，高純碳化硅粉體, 晶體研磨液、拋光液，小到籽晶粘膠裝置，都需要團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)。早期，面對(duì)并無專門設(shè)備的情況，團(tuán)隊(duì)依靠一臺(tái)能夠勉強(qiáng)達(dá)到高溫要求的晶體退火爐進(jìn)行碳化硅晶體制備。在這臺(tái)原本作為石墨加熱爐的基礎(chǔ)上，通過不斷研究，進(jìn)行了一系列重大改進(jìn)，制作出國內(nèi)第一臺(tái)線圈內(nèi)置式感應(yīng)生長爐?！叭缃襁€常能回憶起來，當(dāng)時(shí)和研究所里的老先生們一起并肩作戰(zhàn)的日子。那段時(shí)間，大家群策群力，在有限的條件下實(shí)現(xiàn)了碳化硅晶體的制備，十分不易?！标愋↓堈劦馈１M管能夠?qū)崿F(xiàn)制備，但“術(shù)業(yè)有專攻”，這一設(shè)備作為原本的石墨加熱爐，在碳化硅晶體制備上存在溫場(chǎng)無法調(diào)控、真空度弱的缺陷。因此，陳小龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)依據(jù)此前改進(jìn)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合進(jìn)一步研究成果，設(shè)計(jì)出專用于碳化硅晶體制備的專用設(shè)備，滿足了溫場(chǎng)調(diào)控與壓力調(diào)節(jié)的需求，盡管當(dāng)時(shí)只能產(chǎn)出約三英寸左右的晶體，但在應(yīng)用中卻以事實(shí)驗(yàn)證了設(shè)備的實(shí)用性。雖然取得了階段性成果，但陳小龍從未停步，而是不斷地進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化。為了更好地控制爐溫上下部的溫度差，實(shí)現(xiàn)晶體制備期間溫度和壓力變化的動(dòng)態(tài)調(diào)控，團(tuán)隊(duì)在第一代設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，從而減小了生長室內(nèi)部溫度和壓力的大幅波動(dòng)，保障了生長的穩(wěn)定性。隨后的數(shù)年間，優(yōu)化與改良已成為團(tuán)隊(duì)助力設(shè)備日臻完美的“進(jìn)階之路”。為進(jìn)一步確保碳化硅晶體制備的穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)并應(yīng)用了電場(chǎng)-磁場(chǎng)-熱場(chǎng)高效耦合的單晶生長裝備，實(shí)現(xiàn)了溫場(chǎng)和壓力的精確調(diào)控，有效抑制了晶體邊緣形核，避免了碳化硅晶體生長中易出現(xiàn)的一系列問題。
突破晶體擴(kuò)徑的國際公認(rèn)難題
在保障碳化硅晶體順利生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高晶體質(zhì)量、良率，降低成本，需要進(jìn)行晶體擴(kuò)徑，即通過不斷迭代和優(yōu)化生長條件，實(shí)現(xiàn)晶體高效擴(kuò)徑生長，使其直徑進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，碳化硅晶體擴(kuò)徑存在一定難度。當(dāng)晶體直徑變大后，溫場(chǎng)分布便會(huì)發(fā)生改變，溫度的均勻性變得更難控制，晶體的生長難度呈幾何級(jí)增長，多種缺陷也會(huì)紛至沓來。對(duì)于晶體擴(kuò)徑難題，陳小龍至今依然對(duì)曾經(jīng)的經(jīng)歷記憶猶新，他回憶說：“當(dāng)時(shí)，我們剛剛實(shí)現(xiàn)6英寸碳化硅晶體的制備，但在實(shí)際生產(chǎn)中，卻出現(xiàn)了‘隨機(jī)’開裂的現(xiàn)象，讓大家不僅感到十分可惜，而且百思不得其解。一時(shí)間未能摸清其中規(guī)律，開爐時(shí)甚至?xí)?zhàn)戰(zhàn)兢兢，感到很傷腦筋。面對(duì)此種情況，我鼓勵(lì)大家‘痛定思痛’，多思考多研究。后來，團(tuán)隊(duì)里一位很有想法的成員靈感迸發(fā)，突然提出對(duì)于應(yīng)力消除的解決方案有沒有可能是反直覺的，繼而大家順著這一思路進(jìn)行探索，果然避免了開裂的問題。這也提示我在研究中不要進(jìn)入慣性思維怪圈，遇到難關(guān)時(shí)反而要跳出圈子，以新角度、新方向進(jìn)行思考?！蓖ㄟ^多年的研究，陳小龍攻克了晶體擴(kuò)徑這一公認(rèn)的難題。如今，已經(jīng)能夠保障穩(wěn)定生長出高質(zhì)量的2至8英寸碳化硅晶體，進(jìn)一步推動(dòng)碳化硅在各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
助碳化硅晶體在重要領(lǐng)域大顯身手
作為新能源汽車、光伏和5G通訊等戰(zhàn)略性半導(dǎo)體材料，碳化硅晶體在推動(dòng)綠色、低碳、高效新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性可見一斑。以新能源汽車為例，2024年，我國新能源汽車市場(chǎng)保持高歌猛進(jìn)的態(tài)勢(shì)，年度產(chǎn)銷均首次突破1000萬輛大關(guān)。但曾幾何時(shí)，對(duì)于新能源汽車?yán)m(xù)航里程的焦慮讓不少選車者望而卻步。幸運(yùn)的是，碳化硅材料的應(yīng)用有效緩解了這一問題。相比硅基器件，碳化硅器件擁有更卓越的物理性能，其體積更小、重量更輕，節(jié)能轉(zhuǎn)化效率更高，能夠使新能源汽車的電驅(qū)系統(tǒng)更加高效，進(jìn)而提升車輛的加速性能和續(xù)航能力。同時(shí)，其在相同功率下所需的材料更少，有助于提升車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性……不難發(fā)現(xiàn)，碳化硅器件的應(yīng)用在新能源汽車的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大化之路上發(fā)揮了顯著作用。面對(duì)新能源汽車行業(yè)與碳化硅晶體領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，陳小龍也表達(dá)了自身期盼：“目前碳化硅器件主要應(yīng)用于20萬以上的新能源汽車，希望能通過持續(xù)研究，進(jìn)一步增加碳化硅晶體良率與質(zhì)量，從而降低成本，讓更多新能源汽車的購買者享受到碳化硅器件之益。同時(shí)，也希望我們自主創(chuàng)新獲得的立方碳化硅晶體能夠早日在高端MOS器件上應(yīng)用，為有效推動(dòng)我國半導(dǎo)體關(guān)鍵材料和器件的高質(zhì)量發(fā)展，提升我國產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，加快培育新質(zhì)生產(chǎn)力，作出新的更大貢獻(xiàn)?！?/span>
來源：北京科技報(bào)
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