碳化硅单晶快速扩径生长系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种碳化硅单晶快速扩径生长系统，涉及半导体晶体生长技术领域，用于解决现有技术中在保证结晶质量的前提下，无法较好地实现碳化硅单晶的快速扩径的问题。本实用新型专利技术提供的碳化硅单晶快速扩径生长系统，包括：坩埚桶，所述坩埚桶具有金属或金属化合物涂层；坩埚盖，所述坩埚盖置于所述坩埚桶的顶端，且所述坩埚桶具有金属或金属化合物涂层；导流板，所述导流板置于所述坩埚桶的内部，且所述导流板具有金属或金属化合物涂层；所述导流板用于将所述坩埚桶的内部分为两个不同体积的区域，且所述导流板位于生长腔的部分有用于调整组份流方向的弯角。于调整组份流方向的弯角。于调整组份流方向的弯角。

【技术实现步骤摘要】
碳化硅单晶快速扩径生长系统


[0001]本技术涉及半导体晶体生长
，尤其涉及一种碳化硅单晶快速扩径生长系统。

技术介绍

[0002]碳化硅（SiC）材料是一种有着优异物理和电气性能的宽禁带半导体材料。其禁带宽度在3.5eV，并且拥有10倍于硅的击穿电场强度、3倍于硅的热导率。这些突出的性能使得碳化硅单晶材料在大功率、高温以及高频器件领域有着广阔的应用前景。随着对硅材料的深度开发，硅基器件正在接近硅材料本身的性能极限，为进一步提升器件的性能只能寻求内禀特性更强大的碳化硅半导体材料。无论是在通态情况还是开关切换过程中，碳化硅器件都比硅器件在功率损耗上低几个数量级，这将会极大地提高电能的转换效率。伴随着新兴产业的涌现，包括光伏逆变、新能源汽车、快速充电桩、智能电网管理、工业自动化以及新一代的高功率通讯，对节能和电能管理都提出了更高的要求。而碳化硅半导体器件在这些领域可以显著地节省能源，减少化石燃料的排放，降低环境污染。
[0003]但是受碳化硅单晶的生长方法和制备技术的限制，碳化硅无法像单晶硅那样经过缩颈再快速扩径生长。这是因为硅材料的熔点较低，可以采用提拉单晶液相法生长，温场控制相对容易实现快速扩径。而碳化硅材料则需要在3200℃和10万个大气压下才能熔化，这样极端的条件普通工业生产难以实现。因此，碳化硅单晶只能通过固-气-固转化的生长模式进行制备，即所说的升华再结晶的方法。至今，最为成熟的生长碳化硅的方法是物理气相传输法（PVT）法或者称为改良的Lely法。即将碳化硅粉料和籽晶都投入到坩埚中，将籽晶置于上部低温区，碳化硅粉料置于底部高温区，通过粉料的升华再结晶进行生长碳化硅单晶块体。
[0004]现有的碳化硅单晶扩径方法是，通过使用一定直径且晶体质量良好的籽晶，在保证生长晶体质量不变差的情况下，每次扩大直径2-5mm；再将扩大后的碳化硅单晶体经过切割、研磨和抛光后，获得的晶片作为下次扩径的籽晶。如此不断重复上述过程，然而在每次扩径过程中并不能完全保证生长碳化硅单晶的结晶质量良好，这也增加了碳化硅单晶的扩径难度。另外，在晶体生长过程中需要保持较大的径向温度梯度，因此晶体的内应力较大而容易开裂。经过近三十年的发展，碳化硅的直径才达到8英寸，而且是随着直径的增加，扩径变的越来越难。并且消耗的时间也越来越长，每扩大2英寸则需要消耗5-10年的时间来完成。
[0005]制备碳化硅大晶体的另一种方法是通过多块小籽晶的拼接来快速扩大直径。如专利CN105671638A公开了一种大直径尺寸SiC 籽晶的制备方法，包括：将小直径SiC 籽晶进行修整切割；采用密排拼接方式粘结固定在籽晶托上，形成第一层籽晶，在第一层籽晶的小直径SiC 籽晶之间的缝隙上方再粘结固定第二层籽晶，使第二层籽晶覆盖第一层籽晶形成的缝隙，形成双层拼接排列籽晶，然后进行抛光，进行退火，促进侧向生长，制得完整的大直径尺寸SiC 籽晶。
[0006]专利CN106435732A公开了一种快速制备大尺寸SiC单晶晶棒的方法，第一阶段，将小尺寸SiC晶片外形加工为所需外形，将加工后的晶片进行组合拼接排列并固定于石墨籽晶托上；第二阶段，将固定有小晶片组合的籽晶托置于籽晶升华法体系中，选择适宜单晶横向生长的生长条件，使小尺寸晶片间缝隙被横向生长单晶填充，形成完整的大尺寸SiC籽晶；第三阶段，使用第二阶段获取的大尺寸籽晶，进行籽晶升华法生长，最终获取大尺寸碳化硅单晶晶锭，单晶晶锭经外形加工最终获得大尺寸SiC晶棒。
[0007]专利CN110541199A公开了一种直径8英寸及以上尺寸高质量SiC籽晶的制备方法，包括：小尺寸SiC晶片或SiC晶体切割，拼接，磨削、抛光，然后进行同质外延生长；所述同质外延生长分两个阶段进行：( 1 )侧向外延：在圆形拼接SiC籽晶拼接缝隙处进行侧向外延生长以填充拼接缝隙，( 2 )表面外延：在拼接缝隙填充完成后，改变生长条件，促进籽晶的( 0001 )面生长速率，大幅度降低籽晶生长面的缺陷密度，提高籽晶生长面的结晶质量，获得表面总厚度变化小、无裂缝、缺陷密度少的8英寸及以上尺寸的高质量SiC籽晶。
[0008]可见，以上公开的方法均是采用多块单晶籽晶通过拼接的方式来增加晶体的直径，但是无论是采取纵向的填补或者横向生长填补晶片间的拼接缝隙，都不可能完全达到晶格上的完整对接，因此会在拼接区域形成晶界。并且，采用多晶籽晶来生长单晶体是不满足晶体学对单晶的严格定义；因此，多片籽晶拼接生长出来的体块材料只能被称为多晶体，而不能被称为单晶体。
[0009]因此，如何在保证结晶质量的前提下，快速增加碳化硅单晶的直径仍然是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0010]本技术的目的在于提供一种碳化硅单晶快速扩径生长系统及方法，用于解决现有技术中在保证结晶质量的前提下，无法较好地实现碳化硅单晶的快速扩径的技术问题。
[0011]为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：
[0012]一种碳化硅单晶快速扩径生长系统，包括：坩埚桶，所述坩埚桶具有金属或金属化合物涂层；坩埚盖，所述坩埚盖置于所述坩埚桶的顶端，且所述坩埚桶具有金属或金属化合物涂层；导流板，所述导流板置于所述坩埚桶的内部，且所述导流板具有金属或金属化合物涂层；所述导流板用于将所述坩埚桶的内部分为两个不同体积的区域，且所述导流板位于生长腔的部分有用于调整组份流方向的弯角。
[0013]其中，所述坩埚盖粘贴籽晶的一面被高温难融金属或金属化合物涂层覆盖，涂层材料为钽、碳化钽、铪、碳化铪、铌或碳化铌。
[0014]其中，所述坩埚桶的内侧被高温难融金属或金属化合物涂层覆盖，涂层材料为钽、碳化钽、铪、碳化铪、铌或碳化铌。
[0015]其中，所述导流板被高温难融金属或金属化合物涂层覆盖，涂层材料为钽、碳化钽、铪、碳化铪、铌或碳化铌。
[0016]具体地，所述坩埚盖粘贴籽晶的一面具有凹槽。
[0017]进一步地，所述凹槽的内表面的粗糙度在1～10μm。
[0018]具体地，所述坩埚桶的内部开设有卡槽，所述卡槽用于固定所述导流板。
[0019]具体地，所述导流板将所述坩埚桶的内部分为两个不同体积的区域，且所述导流板外侧的装料量占总量的1/3～2/5。
[0020]实际应用时，所述碳化硅单晶快速扩径生长系统还包括：高温炉腔；所述坩埚桶及所述坩埚盖组成的坩埚置于所述高温炉腔中。
[0021]其中，所述坩埚的外侧设有感应加热线圈。
[0022]一种碳化硅单晶快速扩径生长方法，包括如下步骤：将2-8英寸正向碳化硅单晶体块进行切割，然后对晶片的上下表面以及圆周面进行研磨和化学机械抛光，加工成具有一定厚度的正向碳化硅晶片；然后将加工好的晶片进行清洗和封装，备用；
[0023]将上述步骤中准备好的正向碳化硅晶片作为籽晶粘贴到具有金属或金属化合物涂层的坩埚盖的凹槽内，使得碳化硅晶片的圆周面部分暴露在外面；
[0024]将具有涂层的导流板固定到内表面带涂层的石墨坩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅单晶快速扩径生长系统，其特征在于，包括：坩埚桶，所述坩埚桶具有金属或金属化合物涂层；坩埚盖，所述坩埚盖置于所述坩埚桶的顶端，且所述坩埚桶具有金属或金属化合物涂层；导流板，所述导流板置于所述坩埚桶的内部，且所述导流板具有金属或金属化合物涂层；所述导流板用于将所述坩埚桶的内部分为两个不同体积的区域，且所述导流板位于生长腔的部分有用于调整组份流方向的弯角。2.根据权利要求1所述的碳化硅单晶快速扩径生长系统，其特征在于，所述坩埚盖粘贴籽晶的一面被高温难融金属或金属化合物涂层覆盖，涂层材料为钽、碳化钽、铪、碳化铪、铌或碳化铌。3.根据权利要求1所述的碳化硅单晶快速扩径生长系统，其特征在于，所述坩埚桶的内侧被高温难融金属或金属化合物涂层覆盖，涂层材料为钽、碳化钽、铪、碳化铪、铌或碳化铌。4.根据权利要求1所述的碳化硅单晶快速扩径生长系统，其特征在于，所述导流板被高温难融金属或金属化合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福生，杨昆，刘新辉，牛晓龙，路亚娟，尚远航，
申请(专利权)人：河北同光科技发展有限公司，
类型：新型
国别省市：