CN102268735B - 一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，所述方法包括：采用升华法将碳化硅源粉末加热至升华，建立优选温度和压力范围，确保生长晶型为4H-SiC；在生长室中建立特定的轴向温度梯度，促使碳化硅源粉升华至籽晶上结晶；利用移动坩埚、改变保温状态等增加轴向温度梯度，增大4H-SiC生长的几率，使整个过程晶型稳定。
Description
技术领域
本发明提供一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，属于晶体生长技术领域。
背景技术
SiC是第三代宽禁带半导体代表，具有禁带宽度大、迁移率高、热导率高等优良的电学热学特性，成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。在器件研制方面，SiC蓝光LED已经商业化；SiC功率器件的研发已成为新型功率半导体器件研究开发的主流；在高温半导体器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在无任何领却散热系统下的600℃高温下正常工作。随着SiC半导体技术的进一步发展，SiC材料与器件的应用越来越广阔，在白光照明、汽车电子化、雷达通讯、石油钻井、航空航天、核反应堆系统及军事装备等领域起到至关重要的作用。
在SiC多种晶型结构中，4H-SiC的禁带宽度更加宽；电子迁移率是6H-SiC的2倍多；由于六方比例更小，其各项异性更弱。因此，被认为是制备高频大功率器件最有前途的SiC材料。
然而，由于SiC各晶型的结构极其相似一维方向(生长方向)堆垛层错能极为接近、六角百分比十分接近、滑移面结构相近、生长温度范围小等原因，在4H-SiC晶型生长中，特别容易产生其他晶型的的夹杂。这会导致了大量缺陷比如微管、层错等的产生，对器件的电学性能、稳定性对会产生不利影响，严重地影响了晶体的产率和使用。所以4H-SiC体块单晶的生长，首要的问题就是保证晶型的稳定。
对于多型的影响因素有过不少的研究，在Near-thermal Equilibrium Growth of SiC bvPhysical Vapor Transport (Norbert Schulze，Donovan L.Barrett，Gerhard Pensl，et al.[J]Materials Science and Engineering B 1999，61-62：44-47)文章明确阐述了采用4H的碳面作为籽晶，才有可能得到晶型稳定的4H-SiC单晶；采用其他晶面作为籽晶容易导致多型夹杂。同时在Polarity-and orientation-related Defect Distribution in 4H-SiC Single Crystals(Rost H，Schmidbaner M，Siche D，et al.[J]Journal of Crystal Growth 2006，290：137-143)中认为随着偏角的增大会导致微管和缺陷密度降低。
然而，在生长过程中程中，多型的夹杂问题仍然很严重，如何得到整体晶型稳定的4H-SiC仍然需要其他生长条件配合。
发明内容
本发明针对以上的技术不足，提供一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，可以稳定生长大尺寸4H-SiC单晶体。
发明概述
本发明通过提高生长室的温度梯度，实现大直径4H-SiC单晶的可控和重复生长。
本发明通过调控生长腔内的温度差、压力和选用合适的籽晶，实现大尺寸4H-SiC单晶体的稳定生长。本发明涉及的生长装置可参照CN1554808A(CN200310114637.5)。
术语说明：腔内温度差，指的是原材料料表面中心温度与籽晶表面中心温度之差。
发明详述
一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，使用的生长装置为单晶生长炉，包括生长室、石墨坩埚、保温材料和感应加热系统，生长室侧壁有水冷装置，水冷装置是石英玻璃构成的密封双层管，在双层管中的循环工作介质是水，水温在生长过程中保持恒定；坩埚有固定籽晶的籽晶座；坩埚和保温材料放置在生长室内，生长室可达到1×10-6mbar以上的真空度，由位于其外侧的感应线圈提供热量，达到晶体生长所要求的高温条件，感应线圈内通水冷却；温场条件是坩埚内部籽晶处的温度最低，生长方向有较大梯度的温场分布；晶体生长表面的径向等温线的分布近似平行，中心最低，边缘最高，将纯度至少为5N的高纯碳化硅粉料作为源材料盛放在石墨坩埚内，将籽晶固定在籽晶座上，密封后放入生长室，生长前采用真空条件去除氧、水有害物质，其特征在于，
生长时通入气体提供晶体生长所需的气氛，压力为5-40mbar，温度为2100～2240℃，源材料升华的气相成分输送到籽晶表面，并在那里成核生长；
精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动小于10℃；
精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动小于5mbar；
所述籽晶选用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角为0-4°；
所述源材料表面温度高于籽晶表面温度20-120℃。根据晶体生长理论，源材料表面中心与籽晶表面中心的温度差提供了生长动力。温差越大，生长速率越快。生长速率与温度差成正比，与压力成反比。当拉大温度差时，提高压力可以保证速率稳定。在本发明中，生长速率控制在0.6mm/h以下，以0.4-0.6mm/h为宜。
根据本发明，优选的生长温度在2180-2220℃；
根据本发明，优选的，整个生长过程中温度浮动小于5℃、压力浮动小于2mbar；
根据本发明，优选的，籽晶偏向(11-20)方向偏角为0.5-3.5°。
根据本发明，优选的，源材料的温度高于籽晶温度40-100℃。本发明在生长室中建立合理的腔内温度差，促使源粉升华至籽晶上结晶生长单晶。
根据本发明，所述的保温材料为不吸收感应加热的电磁波的材料，杂质含量低于50ppm。优选的，保温材料为石墨纤维压制而成。
根据本发明，优选的，坩埚用石墨或者Ta材料制作的。
根据本发明，通过以下任一种方式控制源材料的温度高于籽晶温度：
a、减小坩埚和保温材料的间隙，包括上层保温材料与坩埚顶部之间的空隙和侧面保温材料与坩埚侧壁之间的空隙：
上层保温材料与坩埚顶部之间的空隙的距离可为0-50mm，优选为0-10mm；
侧面保温材料与坩埚侧壁之间的空隙的距离可为0-20mm，优选为0-10mm。
b、利用步进电机移动感应线圈，从而改变坩埚与感应线圈的相对距离，达到控制温度的目的。
进一步优选的，上层保温材料与坩埚顶部之间的空隙的距离为5mm，侧面保温材料与坩埚侧壁之间的空隙的距离为0-5mm。
根据本发明方法，可制得的直径为50mm～125mm大直径4H-SiC晶体。该SiC晶片电阻率为N型、P型或者半绝缘。
根据本发明优选方案一、压力为20mbar，精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动小于5mbar；温度为2200℃，精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动小于10℃；籽晶选用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角为2°，生长速率控制在0.4～0.5mm/h；所述的保温材料为石墨纤维，厚度25mm，所用坩埚为石墨坩埚，侧面保温材料与坩埚侧壁之间的距离为5mm，上层保温材料与石墨坩埚顶部的距离为5mm，源材料表面温度高于籽晶表面温度45℃。
根据本发明优选方案二、压力为40mbar，精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动不大于2mbar；温度2180℃，精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动不大于5℃；籽晶选用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角为3.5°；生长速率控制在0.5～0.6mm/h；所述的保温材料为石墨纤维，厚度25mm，所用坩埚为石墨坩埚，上层保温材料与石墨坩埚顶部的距离为5mm，侧面保温材料与坩埚侧壁之间的距离为0mm，料表面中心温度和籽晶中心温度差为53℃。
本发明的技术特点是：通过增加生长室温度差，增大4H-SiC生长的几率，确保整个过程晶型稳定，1)源材料与籽晶的温度差超过40°从而确保晶型的稳定；2)可以通过移动坩埚、改变保温材料层和降低保温与坩埚的距离等措施，增大源材料和籽晶的温度差，从而促进晶型的稳定性。3)本发明所采用的籽晶是4H-SiC碳面籽晶，籽晶的偏向(11-20)方向0-4°，最优为0.5-3.5°。本发明人发现选择带有偏角的籽晶在生长的初期可以促进4H-SiC成核，确保生长初期的晶型稳定。
本发明生长室内主要存在两个温度差：一是源材料粉料内的温度差，指的料内最高温温度与料表面中心点温度差；二生长腔内温度差，指的是料表面中心温度(坩埚和籽晶均为圆形，中心指的圆形的中点；料表面中心指的是料的上表面的原点中心)与籽晶表面中心温度差。本发明人发现提高生长腔内的温度差，是影响晶型的关键。提高生长腔内的温度差有很多方法，包括移动线圈、改变保温材料厚度、改变保温材料与坩埚的距离等。
本发明针对于4H-SiC的特点，对温度要求更加精确、生长条件波动小、生长速率慢等等，进一步明确优选生长条件，得到提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法。本发明的方法简单易行，重复性好。
附图说明
图1是晶体生长部分结构示意图图，其中，1、石墨纤维保温材料，2、上层保温材料与坩埚顶部之间的空隙，3、籽晶，4、坩埚，5、侧面保温材料与坩埚侧壁之间的空隙，6、源材料粉料。
图2实施例1生长的4H-SiC单晶晶型的产品照片。
图3实施例1生长的4H-SiC单晶产品制作的SiC衬底照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例所用生长装置参照CN1554808A的实施例1。
实施例1：如图1所示。
一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，使用单晶生长炉，生长时通入气体，压力为约20mbar，精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动不大于5mbar；温度为约2200℃，精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动不大于10℃；籽晶3选用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角为2°，源材料6升华的气相成分输送到籽晶3表面，并在那里成核生长；生长速率控制在0.4～0.5mm/h。所述的保温材料1为不吸收感应加热电磁波的石墨纤维，厚度25mm，杂质含量低于50ppm，侧面保温材料与坩埚侧壁之间的间隙5距离为5mm；所用坩埚4为石墨坩埚，通过调整上层保温材料与石墨坩埚顶部的距离(空隙2)为5mm，此时源材料表面温度高于籽晶表面温度45℃。
按本实施例生长3炉次，得到的晶体全部为4H-SiC单晶晶型(无多型)，产品照片如图2所示。
应用本实施例产品制作的SiC衬底，照片如图3所示。
对比例1：如实施例1所述，所不同的是调整上层保温材料与石墨坩埚顶部的距离2为15mm，此时籽晶表面中心与料表面中心的温度差为15℃。共生长3炉，全部出现6H-SiC晶型，且其多型面积较大、持续时间长。
实施例2：如实施例1所述，所不同的是：压力为40mbar，精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动不大于2mbar；温度2180℃，精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动不大于5℃；籽晶3选用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向(11-20)方向偏角为3.5°，生长速率控制在0.5～0.6mm/h。通过调整上层保温材料与石墨坩埚顶部的距离2为5mm；改变侧面保温材料与坩埚侧壁之间的间隙5，使间隙为0mm时，此时料表面中心温度和籽晶中心温度差为53℃。
按本实施例生长8炉次得到的晶体全部为4H-SiC单晶晶型(无多型)。
对比例2：改变侧面保温材料与坩埚侧壁之间的间隙5的距离，将其拉大到20mm，此时籽晶表面中心与料表面中心的温度差为23℃，共生长4炉晶体，3炉出现多型，占75％。
Claims (1)
1.一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，使用的生长装置为单晶生长炉，包括生长室、石墨坩埚、保温材料和感应加热系统，生长室侧壁有水冷装置，水冷装置是石英玻璃构成的密封双层管，在双层管中的循环工作介质是水，水温在生长过程中保持恒定；坩埚有固定籽晶的籽晶座；坩埚和保温材料放置在生长室内， 生长室可达到1×10-6mbar以上的真空度，温场条件是坩埚内部籽晶处的温度最低，生长方向有较大梯度的温场分布；晶体生长表面的径向等温线的分布近似平行，中心最低，边缘最高，将纯度至少为5N的高纯碳化硅粉料作为源材料盛放在石墨坩埚内，将籽晶固定在籽晶座上，密封后放入生长室，生长前采用真空条件去除氧和水，其特征在于，生长时通入气体提供晶体生长所需的气氛，压力为20mbar，精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动小于2mbar；温度为2200℃，精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动小于5℃；籽晶选用4H-SiC碳面籽晶，籽晶偏向（11-20）方向偏角为2°，生长速率控制在0.4～0.5mm/h；所述的保温材料为石墨纤维,厚度25 mm，杂质含量低于50ppm，所用坩埚为石墨坩埚，侧面保温材料与坩埚侧壁之间的距离为5mm，上层保温材料与石墨坩埚顶部的距离为5mm，源材料表面温度高于籽晶表面温度45℃。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，保温材料为石墨纤维压制而成。
3. 一种提高4H-SiC单晶晶型稳定性的方法，使用的生长装置为单晶生长炉，包括生长室、石墨坩埚、保温材料和感应加热系统，生长室侧壁有水冷装置，水冷装置是石英玻璃构成的密封双层管，在双层管中的循环工作介质是水，水温在生长过程中保持恒定；坩埚有固定籽晶的籽晶座；坩埚和保温材料放置在生长室内， 生长室可达到1×10-6mbar以上的真空度，温场条件是坩埚内部籽晶处的温度最低，生长方向有较大梯度的温场分布；晶体生长表面的径向等温线的分布近似平行，中心最低，边缘最高，将纯度至少为5N的高纯碳化硅粉料作为源材料盛放在石墨坩埚内，将籽晶固定在籽晶座上，密封后放入生长室，生长前采用真空条件去除氧和水，其特征在于，生长时通入气体提供晶体生长所需的气氛，压力为40mbar，精确控制压力，使整个生长过程中压力浮动不大于2mbar；温度2180℃，精确控制温度，使整个生长过程中温度浮动不大于5℃；籽晶选用4H-SiC碳面籽晶,籽晶偏向（11-20）方向偏角为3.5°；生长速率控制在0.5～0.6mm/h；所述的保温材料为石墨纤维,厚度25 mm，所用坩埚为石墨坩埚，调整上层保温材料与石墨坩埚顶部的距离为5mm，侧面保温材料与坩埚侧壁之间的距离为0mm，料表面中心温度和籽晶中心温度差为53℃。
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