一种碳化硅晶体及其制备方法技术

本申请涉及一种碳化硅晶体及其制备方法，属于晶体材料制备领域。该碳化硅晶体的制备方法包括：将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体。本申请的碳化硅晶体的制备方法改变了传统PVT法制备碳化单晶的气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，实现对晶体生长过程中大颗粒杂质的有效格挡，降低晶体中的缺陷密度，提高晶体质量；并且不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗；本申请可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率快、生长温度低，且气相可以有序向上传输，生长的晶体缺陷少，降本增效。

A kind of silicon carbide crystal and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅晶体及其制备方法
本申请涉及一种碳化硅晶体及其制备方法，属于晶体材料制备领域。
技术介绍
碳化硅是典型的宽禁带半导体材料，是继硅、砷化镓之后的第三代半导体材料代表之一。碳化硅材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子迁移率等优异特性，成为制备高温、高频、高功率及抗辐射器件的热门材料之一。目前碳化硅生长的方法主要有物理气相传输法(PVT)、液相外延法(LPE)、化学气相沉积法(CVD)等，其中PVT法是应用最成熟的方法，也是目前唯一的一种可以提供商用碳化硅衬底需求的生长方法。PVT法生长碳化硅单晶的生长过程在密闭的石墨坩埚中进行，因此在高温下生长环境处于富碳气氛下。晶体生长初期，由于硅组分的蒸气分压较高，因此晶体生长界面处于硅组分和碳组分相平衡的状态。随着晶体生长的进行，碳化硅原料中的硅组分不断升华减少，导致生长腔室内的气相组分逐渐失衡成为富碳状态。在富碳的生长环境下，晶体生长的前沿界面会有碳的富集并形成大颗粒的碳包裹物缺陷。此外，碳化硅原料中的大颗粒金属杂质、硅包裹体等在传统的碳化硅气相由下向上传输过程中也会跟随气相进入到碳化硅单晶中进而形成大颗粒杂质缺陷。大颗粒缺陷会诱生微管、位错、层错等缺陷，严重影响到碳化硅衬底质量进而影响外延层质量和器件性能。目前解决碳化硅单晶中大颗粒杂质缺陷的一大主流方向是在碳化硅气相传输路径上设置石墨滤网起到隔离大颗粒杂质向上传输的作用。中国专利申请CN207498521U公开了一种提升质量的碳化硅单晶生长装置，包括石墨坩埚、石墨盖和石墨软毡保温层，所述石墨盖位于石墨坩埚顶部封闭所述石墨坩埚，所述石墨盖内侧中心突出区域粘合有籽晶片，所述石墨软毡保温层包覆所述石墨坩埚的周围、顶部、底部，所述石墨坩埚内放置有碳化硅粉末，所述石墨坩埚内碳化硅粉末与籽晶片之间的区域架设石墨支撑环，所述石墨支撑环上安装有导流筒，所述导流筒内固定一层或多层的金属过滤片，所述金属过滤片内均匀分布有通孔。本技术在坩埚内原料与籽晶之间的空间装设耐高温的金属过滤片与导流筒，可以有效过滤碳杂质，避免在晶体生长过程中形成碳包裹物，进而引发微管、位错等缺陷的产生，生成高质量的碳化硅单晶。该专利申请方案可以有效控制碳化硅单晶中大颗粒杂质缺陷的密度，但是石墨滤网的存在往往会造成碳化硅气相向上传输的难度，需要提高温度才能实现气相向籽晶传输的稳定性，而温度的提高则会大大增加晶体中应力及其他缺陷的产出几率，碳化硅单晶的质量无法得到保证。并且在晶体生长过程中，传统的气相传输方式的真空生长下的气相无法得到有效控制，单晶生长速率极快且结晶质量极差，微管、多型、位错等缺陷明显增多。
技术实现思路
为了解决上述问题，本申请提出了一种碳化硅晶体及其制备方法，本申请改变了传统的PVT法制备碳化硅单晶的气相传输方式，由传统的垂直向上传输转换为螺旋向上传输，实现对晶体生长过程中大颗粒杂质的有效格挡，降低晶体中的缺陷密度，提高晶体质量；并且不会造成气相向上传输困难，无需过高生长温度，降低能耗；本申请可以对真空下的气相传输起到控制作用，真空下的单晶生长速率快、生长温度低，且气相可以有序向上传输，生长的晶体缺陷少，降本增效。该碳化硅晶体的制备方法包括：将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体。该螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道可格挡升华原料中的大颗粒物质，降低晶体中的缺陷密度。可选地，所述长晶的步骤包括：第一长晶阶段：将包括坩埚主体、螺旋隔板组件和籽晶的坩埚组件静止，控制长晶条件将升华原料在第一温度和第一压力下长成稳定晶体生长界面；第二长晶阶段：降低压力至第二压力下，转动坩埚组件，其转动方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，进行第二阶段长晶。长晶结束降温后，即制得所述的碳化硅晶体。该两阶段长晶可降低长晶温度，缩短长晶时间。可选地，所述螺旋隔板组件包括设置在原料区的原料区螺旋隔板。原料区大致为坩埚主体内装载原料的区域。优选地，所述原料区螺旋隔板的螺旋方向为顺时针或逆时针。优选地，所述坩埚组件的转动方向与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反。可选地，所述螺旋隔板组件还包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板。气相传输区的位置大致在坩埚主体内装载原料上表面和长晶结束后的晶体下表面之间的区域。优选地，所述气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反。优选地，所述螺旋隔板与所述坩埚主体充分接触和/或；所述坩埚组件还包括包围所述坩埚主体的绝热材料。可选地，所述第一温度为1950-2150℃。可选地，所述第一压力为10-100mbar。可选地，所述第二压力不高于10-4mbar。优选地，所述第二压力不高于10-5mbar。更优选地，所述第二压力不高于10-6mbar。可选地，所述第一长晶阶段的时间为5-10h，所述第二长晶阶段的时间30-100h。可选地，所述坩埚组件的转速至少为10转/h。优选地，所述坩埚组件的转速为10-200转/h。低于本申请的坩埚组件的转速范围则无法与螺旋隔板形成有效配合对气相进行过滤，且无法对真空下的气相加以有效控制；高于本申请的坩埚组件的转速范围，原料则会产生离心效果，改变原料分布，不利于高质量单晶生长。可选地，所述长晶包括下述步骤：(1)将填放碳化硅粉料、原料区螺旋隔板、传输区螺旋隔板及籽晶的高纯石墨坩埚组件置于单晶生长炉炉体内并密封，其中，原料高度略高于原料区螺旋隔板，使原料区螺旋隔板组件完全埋到原料中；(2)将炉体内真空抽至10-6mbar以下，然后通入高纯惰性气体至300-500mbar，重复此过程2-3次，最终将炉体内真空抽至10-6mbar以下；(3)向炉体内通入高纯惰性气体，1-3h内将压力升至10-100mbar，持续通入高纯惰性气体并保持压力不变；(4)第一长晶阶段：在保持压力不变的情况下，3-5h内将炉体内温度升至单晶生长温度1950-2150℃，生长时间为5-10h；(5)第二长晶阶段：保持生长温度不变，将炉体内压力在3-5h内降至真空10-4mbar以下并保持不变，同时定向转动坩埚组件和绝热材料，旋转方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，转速为10-200转/h，同时坩埚垂直方向上位置不变，生长时间为30-100h；(6)单晶生长结束，打开炉体，取出石墨坩埚组件，即制得低缺陷密度的碳化硅单晶。可选地，所述的高纯惰性气体为He或Ar气，纯度＞99.99％。可选地，坩埚组件和绝热材料设置在托盘上，托盘下方设置托盘杆，电机带动包裹波纹管的托盘杆转动。可选地，所述碳化硅晶体的制备方法使用反应器进行制备碳化硅晶体，所述的反应器包括：坩埚组件，其包括：坩埚主体、坩埚盖和设置在坩埚主体内的螺旋隔板组件，装载在坩埚主体内的原料升华后至少部分经螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道后进行晶体生长；位于坩埚盖内侧并适于支撑生长晶体的支撑部件；以及适于将所述坩埚组件保持在生长晶体的温度的加热部件。可选的，所述坩埚组件可转动。优选地，所述坩埚组件的转动速度为10-200转/h。可选地，所述螺旋隔板组件的至少部分直径和其相同高度的坩埚主体内径相同。优选的，坩埚主体下部的直径小于上部。优选地，所述螺旋隔板组件和坩埚主体内壁的构造包括形成单条螺旋气流通道。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，包括：将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体；所述长晶的步骤包括：第一长晶阶段：将包括坩埚主体、螺旋隔板组件和籽晶的坩埚组件静止，控制长晶条件将升华原料在第一温度和第一压力下长成稳定晶体生长界面；第二长晶阶段：降低压力至第二压力下，转动坩埚组件，其转动方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，长晶结束后，即制得所述的碳化硅晶体。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅晶体的制备方法，其特征在于，包括：将坩埚主体内的原料升华后经包括至少一个螺旋隔板组件形成的螺旋气流通道气相传输至籽晶表面进行长晶，制得碳化硅晶体；所述长晶的步骤包括：第一长晶阶段：将包括坩埚主体、螺旋隔板组件和籽晶的坩埚组件静止，控制长晶条件将升华原料在第一温度和第一压力下长成稳定晶体生长界面；第二长晶阶段：降低压力至第二压力下，转动坩埚组件，其转动方向与至少一个螺旋隔板组件的螺旋方向相反，长晶结束后，即制得所述的碳化硅晶体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述螺旋隔板组件包括设置在原料区的原料区螺旋隔板；优选地，所述原料区螺旋隔板的螺旋方向为顺时针或逆时针；优选地，所述坩埚组件的转动方向与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述螺旋隔板组件还包括设置在气相传输区的气相传输区螺旋隔板；优选地，所述气相传输区螺旋隔板与原料区螺旋隔板的螺旋方向相反和/或；所述螺旋隔板与所述坩埚主体充分接触和/或；所述坩埚组件还包括包围所述坩埚主体的绝热材料。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一温度为1950-2150℃。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一压力为10-100mbar。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二压力不高于10-4mbar；优选地，所述第二压力不高于10-5mbar；更优选地，所述第二压力不高于10-6mba...

【专利技术属性】
技术研发人员：李加林，张红岩，窦文涛，宗艳民，李斌，高超，刘家朋，李长进，李宏刚，孙元行，刘鹏飞，
申请(专利权)人：山东天岳先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37