提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法以及用于碳化硅晶体生长的方法技术

本发明专利技术公开了提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法以及用于碳化硅晶体生长的方法。所述提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法包括下列步骤：1)在用于碳化硅晶体生长的籽晶的生长面的背面镀上高温薄膜；以及2)将通过步骤(1)得到的镀膜籽晶在高温下退火。所述用于碳化硅晶体生长的方法包括将镀膜籽晶以镀膜面朝向坩埚盖的底部的方式固定在坩埚盖上，并且通过物理气相传输法进行碳化硅晶体生长。根据本发明专利技术，通过在用于碳化硅晶体生长的籽晶的生长面的背面镀上一层致密的耐高温薄膜，可以抑制碳化硅晶体生长过程中的背向蒸发，减少平面六方空洞等缺陷，从而提高碳化硅晶体生长质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于提高物理气相传输法生长晶体的生长质量的籽晶处理方法以及一种用于碳化硅晶体生长的方法，特别适合用于提高碳化硅晶体的生长质量的籽晶处理，同时也可用于提高氮化铝等晶体生长质量的籽晶处理。技术背景当前，半导体产业的迅猛发展再次激发了现代科学技术的革新。作为第三代宽带隙半导体材料，碳化硅在热学、电学、抗腐蚀等性能方面优越于常用的衬底材料，可广泛用于制造半导体照明、微电子、电力电子等半导体器件。根据权威机构的市场报告，碳化硅单晶的市场规模在2012年已达到4亿美元。因此，国际上主要的碳化硅单晶生产商一直在努力改善晶体质量和放大晶体尺寸。随着碳化硅晶体质量的不断提高，微管等碳化硅单晶衬底的致命性缺陷已逐步减少甚至消失，并已规模化制备出零微管单晶衬底。然而，随着人们对碳化硅晶体生长机理研究的深入，以及外延和器件对碳化硅单晶衬底质量要求的进一步提高，平面六方空洞已逐步突显为影响晶体质量的重要缺陷，平面六方空洞缺陷的有效抑制将对提高晶体质量具有非常重要的现实意义。
技术实现思路
为了研究平面六方空洞的形成机理，我们进行了大量实验观察分析，结果表明平面六方空洞的形成主要是由于SiC气相物质的背向蒸发造成的，而造成气相物质背向蒸发的主要原因是籽晶背面温场不均匀，背向过大的轴向温度梯度以及石墨籽晶托的多孔性造成的。目前物理气相传输法(PhysicalVaporTransportMethod)被公认为是生长碳化硅、氮化铝等晶体最为成功的方法之一。在物理气相传输法生长SiC晶体过程中，典型的生长室结构如图1所示。坩埚由上部的盖和下部的埚组成，上部的盖用于固定籽晶，通常称之为籽晶托，下部的埚用于装SiC原料。在生长SiC晶体之前，先将SiC籽晶通过粘合剂粘到籽晶托上或者以紧贴方式直接机械固定在籽晶托上。晶体生长时，使生长室内保持一定的温度梯度，SiC原料处于高温区，籽晶处于低温区(参见图1)。将坩埚内的温度升至2200～2500℃，使得SiC原料升华，升华所产生的气相物质(Si2C、SiC2和Si)在温度梯度的作用下从原料表面传输到低温籽晶处，结晶生成晶体。然而，整个生长过程中温度梯度不仅只在原料和籽晶间形成，生长的晶体中以及晶体背面与籽晶托之间同样存在一定的温度梯度，该温度梯度将导致晶体背面产生热蒸发。在粘接或机械固定籽晶的过程中，由于籽晶托表面机械加工精度较差、粘合剂粘结不均匀以及粘合剂在固化过程中的放气等因素，使得籽晶背面与籽晶托之间存在不均匀的间隙或一些气孔。这些间隙或气孔将导致籽晶背面温度分布不均匀，而背面蒸发则优先在温度较高区域或缺陷较密集区域发生。蒸发所产生的气相物质首先聚积在籽晶背面与籽晶托之间的间隙或气孔区域。目前，生长SiC晶体所用的坩埚材料主要为三高(即高强度、高密度和高纯度)石墨。三高石墨虽然因其具有高温稳定、导热性好、加工方便、价格适宜等优点而被广泛使用，但其孔隙率仍然高达10％以上。石墨盖中存在的孔隙将导致籽晶背面间隙或气孔区域所聚积的气相物质逸出(参见图2)。气相物质的逸出在整个生长过程中是一个持续的过程。晶体背面局部区域不断地蒸发，蒸发所产生的气相物质不断地从石墨盖孔隙中逸出，从而导致在生长的晶体中产生平面六方空洞缺陷。为了消除SiC晶体中的平面六方空洞缺陷，我们提出了在籽晶粘结面镀耐高温致密膜的工艺，直接有效的抑制了籽晶的背向蒸发。在本专利技术的第一方面，提供一种提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法，该方法包括以下步骤：(1)在用于碳化硅晶体生长的籽晶的生长面的背面镀上高温薄膜；以及(2)将通过步骤(1)得到的镀膜籽晶在高温下退火。在本专利技术的第二方面，提供一种用于碳化硅晶体生长的方法，所述方法包括将根据以上第一方面的方法制备的所述镀膜籽晶以镀膜面朝向坩埚盖的底部的方式固定在坩埚盖上，并且通过物理气相传输法进行碳化硅晶体生长。附图说明图1是物理气相传输法生长SiC晶体的生长室结构示意图；图2是生长SiC晶体普遍使用的石墨籽晶托结构示意图；图3(a)是镀膜前籽晶的照片；图3(b)是镀膜后籽晶的照片；图4(a)是比较例的未镀膜籽晶生长出的4H-SiC晶体的背面形貌；图4(b)是实施例1的镀膜籽晶生长出的4H-SiC晶体的背面形貌。1.石墨盖，2.石墨埚，3.SiC原料，4.粘合剂，5.籽晶，6.生长的晶体，7.石墨盖外表面，8.石墨盖内表面，9.籽晶背面(晶体背面)，10.气孔区域，11.背面蒸发逸出的气相物质具体实施方式本专利技术提出了一种提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法，与常规方法相比可有效抑制平面六方空洞缺陷的产生，具体步骤为：将标准清洗后用于碳化硅晶体生长的籽晶生长面的背面镀上一层致密的耐高温薄膜；然后将上述镀膜籽晶在高温下退火。根据本专利技术的一个实施方案，步骤(1)的镀膜方法包括高温蒸镀法、物理气相传输法、化学气相沉积法、磁控溅射法和/或脉冲电子沉积法中的一种或几种。根据本专利技术的一个实施方案，步骤(1)的耐高温薄膜包括由过渡金属中的任一种所组成的单层薄膜或几种所组成的多层复合薄膜。根据本专利技术的一个实施方案，步骤(1)的耐高温薄膜包括由钨、钼、钽、铌、锇、铱、铼中的任一种所组成的单层薄膜或几种所组成的多层复合薄膜。根据本专利技术的一个实施方案，步骤(1)的耐高温薄膜包括碳、热解石墨、碳化硼、碳化钽、多晶碳化硅、非晶碳化硅、氮化硼中的一种所组成的单层薄膜或几种所组成的多层复合薄膜。根据本专利技术的一个实施方案，步骤(2)的高温退火处理包括镀膜籽晶裸露在惰性气氛中的高温退火处理。根据本专利技术的一个实施方案，步骤(2)的高温退火处理包括将镀膜籽晶埋在石墨粉或碳粉中再在惰性气氛中的高温退火处理。进一步的，当所述镀膜材料为过渡族金属材料，优选钨、钼、钽、铌、锇、铱、铼中的任一种时，将镀膜籽晶埋在石墨粉或碳粉中再在惰性气氛中做温度范围为1400℃-1800℃之间的高温退火处理。进一步的，当所述镀膜材料为碳、热解石墨、碳化硼、碳化钽、多晶碳化硅、非晶碳化硅、氮化硼中的任一种时，将镀膜籽晶裸露在惰性气氛中做温度范围为1200℃-1600℃之间的高温退火处理。使用该方法所获得的镀膜的厚度在0.1微米-2微米之间。本专利技术还提出了一种用于碳化硅晶体生长的方法，所述方法包括将根据以上所述的用于提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法所制备的所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法，所述方法包括以下步骤：(1)在用于碳化硅晶体生长的籽晶的生长面的背面镀上高温薄膜；以及(2)将通过步骤(1)得到的镀膜籽晶在高温下退火。

【技术特征摘要】
1.一种提高碳化硅晶体生长质量的籽晶处理方法，所述方法包括以
下步骤：
(1)在用于碳化硅晶体生长的籽晶的生长面的背面镀上高温薄膜；以
及
(2)将通过步骤(1)得到的镀膜籽晶在高温下退火。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(1)的镀膜方法包括高
温蒸镀法、物理气相传输法、化学气相沉积法、磁控溅射法和/或脉冲电
子沉积法中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(1)的耐高温薄膜包括
由钨、钼、钽、铌、锇、铱、铼中的任一种所组成的单层薄膜或几种所组
成的多层复合薄膜。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(1)的耐高温薄膜包括
由碳、热解石墨、碳化硼、碳化钽、多晶碳化硅、非晶碳化硅、氮化硼中
的一种所组成的单层薄膜或几种所组成的多层复合薄膜。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述步骤(2)的高温
退火处理包括将镀膜籽晶埋在石墨粉或碳粉中再在惰性气氛中进行高温
退火处理。...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄艳芳，彭同华，赵宁，刘春俊，王波，陈小龙，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，北京天科合达半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11