CN104451885A - 一种碳化硅晶体生长方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种新型碳化硅晶体生长方法和装置，可适用于溶液法生长SiC晶体，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩埚，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩埚内的籽晶轴，籽晶轴下端连接有籽晶托架；采用这种结构的生长装置和配合该装置的生长方法在整个生长过程中不使用任何的粘合剂固定籽晶，只通过籽晶托架来承载籽晶，籽晶在晶体生长过程中，在溶液流动的作用下，籽晶不受籽晶托架的束缚，这样可有效避免在晶体中产生应力，避免使用粘合剂时固化不均匀时造成晶体内局部应力大造成开裂、缺陷多等情况。通过使用籽晶托架，可以生长出高质量的SiC晶体。

Description

一种碳化硅晶体生长方法和装置

技术领域

本发明属于新材料加工技术领域，具体涉及一种新型碳化硅晶体生长方法和装置。

背景技术

碳化硅(SiC)是继硅、锗、砷化镓等之后的第三代半宽禁带半导体材料，其在禁带宽度、热导率、临界击穿场强、饱和电子漂移速率等方面具有明显的优势。4H-SiC和6H-SiC的禁带宽度分别为3.26eV和3.08eV，3C-SiC的禁带最窄，其禁带宽度也在2.39eV左右。SiC的禁带宽度是Si的2-3倍，热导率是Si的2.6-3.3倍，临界击穿场强是Si的7-13倍，饱和电子漂移速率是Si的2-2.7倍。使用宽禁带材料可以大幅提高器件的工作温度，采用SiC衬底的功率器件，最高工作温度有可能超过600℃。更高的临界击穿场强可以使减少器件的体积，因此可以使器件小型化的同时省去大量的散热装置，减少能源的消耗。更高的饱和电子漂移速率可提高器件的开关速度，降低开关损耗。所以与Si相比，SiC更适合用于制造高温、高频、大功率的功率器件。

目前商品化的SiC衬底通过物理气相输运(PVT)法获得，衬底中含有大量的缺陷，尤其是微管缺陷，会导致器件的击穿失效。随着功率器件的大功率化和高频化，生产高质量SiC衬底的需求越来越迫切。溶液法因其生长过程处于近平衡状态，是一种生长高品质的SiC晶体的理想方法，特别是可以消除PVT法生长过程中难以避免的微管缺陷。在溶液法生长SiC晶体过程中，晶体生长发生在生长腔内，生长腔内包括开放的坩埚、溶液、籽晶轴和籽晶等几部分。坩埚为高纯石墨坩埚，通过感应加热把坩埚中的高纯多晶硅熔化，形成熔融的硅。碳源是通过熔融的硅对石墨坩埚的腐蚀来提供，进而形成Si-C体系的溶液。通过调整坩埚与感应线圈的相对位置，使溶液中形成稳定的温度和温度梯度。籽晶粘贴在籽晶杆上，生长时浸入溶液的过饱和区进行生长。

通常使用碳粘合剂将籽晶与籽晶轴粘贴在一起，通过烧结过程，使碳粘合剂固化，形成稳定的连接。但是这个过程中，由于碳粘合剂涂抹的不均匀或者籽晶轴表面不平整等原因，籽晶和籽晶轴之间的会存在部分的空隙，由于空气和石墨的热导率的不同，籽晶与籽晶轴的空隙处和其他区域的温度不同，这会引起晶体在生长过程中多型共生等缺陷的产生，或者由于应力的存在，导致生长的晶体中缺陷数量增加，严重时甚至引起晶体的开裂。因此这是现有溶液法生长SiC晶体难以避免的一个问题。

发明内容

针对现有溶液法生长SiC晶体存在的不足之处，本发明的发明人提供了一种新型碳化硅晶体生长方法和装置，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩埚，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩埚内的籽晶轴，籽晶轴下端连接有籽晶托架，采用这种结构的生长装置和配合该装置的生长方法，在整个生长过程中不使用任何的粘合剂固定籽晶，只通过籽晶托架来承载籽晶。籽晶在晶体生长过程中，由于籽晶与籽晶托架之间存在空隙，在溶液流动的作用下，籽晶不受籽晶托架的束缚，这样可有效避免在晶体中产生应力，避免使用粘合剂时固化不均匀时造成晶体内局部应力大造成开裂、缺陷多等情况。通过使用籽晶托架，可以生长出高质量的SiC晶体。

本发明的具体技术方案是：

发明人首先提供了一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体，腔体内设置有保温桶，保温桶外侧设置有感应线圈，保温桶内设置有坩埚，生长腔体上侧设置有籽晶轴升降旋转装置，该装置下端设置有伸入坩埚内的籽晶轴，籽晶轴下端连接有籽晶托架；

其中所述的保温桶下部连接有保温桶轴，保温桶轴穿出生长腔体与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置连接；所述的保温桶顶部的桶盖上设置有允许籽晶轴和籽晶托架通过的通孔；

所述的坩埚采用高纯石墨制成，用于收纳原料多晶硅及熔化后的溶液；坩埚既是盛放溶液的容器，又为晶体生长提供碳源。多晶硅熔化后形成熔融的Si，腐蚀石墨坩埚，形成SiC溶液。坩埚还可以使用其他材质，如陶瓷、钽(Ta)等，这种情况下，生长时需向坩埚加入石墨原料或者通入含C的气体(如C₃H₈等)，来提供碳源，故此优选采用石墨材质。

所述的籽晶托架籽晶托架包括石墨板和石墨手臂，石墨手臂固定连接在石墨板下方，所述的石墨板通过机械连接或者通过粘合剂与籽晶轴固定连接，石墨板为正方形，也可以为圆形。石墨手臂为L型结构或方柱型结构。石墨手臂下方有开口，用来容纳籽晶，为了承托籽晶一般设置有四个石墨手臂也可以设置为三个石墨手臂；所述开口的高度大于籽晶的厚度，一般控制为籽晶的厚度的1-4倍，优选为2倍；所述的籽晶轴内设置有空腔，可向空腔内通入冷却气体对籽晶轴进行冷却。

采用这种结构的生长装置，使用时可以将籽晶插入石墨手臂的开口中，将其固定在石墨手臂上，之后将整个籽晶托架伸入到坩埚内部，在坩埚内放入多晶硅，封闭生长腔体后通入保护气，利用感应线圈对石墨坩埚进行加热，将坩埚的温度升至原料熔点以上，形成熔融的硅；通过溶液对石墨坩埚的腐蚀，形成SiC溶液，控制籽晶轴升降旋转装置使籽晶托架降入溶液区以完成SiC晶体生长；生长时可根据具体需要控制坩埚和籽晶轴旋转，具体可通过保温桶轴旋转装置旋转保温桶从而实现坩埚的旋转，而籽晶轴的旋转则通过籽晶轴升降旋转装置完成。

利用上述的装置，发明人对现有的溶液法生长SiC晶体的工艺进行了进一步的改进，改进后的方法如下：

(1)准备工序

将保温桶置于感应线圈内，将坩埚置于保温桶内，将籽晶托架用碳粘合剂粘贴到籽晶轴上，在高温下将碳粘合剂烧结或直接采用机械连接的方式将两者固定连接，并通过籽晶轴升降旋转装置将籽晶轴和籽晶托架下降到坩埚内；

(2)空烧工序

将生长腔体内通入保护气，之后开启感应线圈快速升温至2000℃，保持3h；之后控制温度在半小时内缓慢冷却至1400℃，温度到达后，切断电源，空冷到室温；

此步空烧工序目的是在高温下去除坩埚、籽晶轴及籽晶托架表面的杂质，为后续的长晶试验做准备，提高晶体的纯度；

(3)SiC溶液生成工序

将籽晶通过石墨手臂下方开口放入到籽晶托架中，同时将原料多晶硅放入到坩埚中；在生长腔体内通入氩气或者氦气，升至大于一个大气压，利用感应线圈对坩埚进行加热，将坩埚的温度升至原料多晶硅的熔点以上，形成熔融的原料；

(4)回熔工序

通过籽晶轴升降旋转装置将籽晶轴和籽晶托架下降到坩埚内SiC溶液液面以下的高温区，腐蚀晶体的表面；

(5)生长工序

通过籽晶轴升降旋转装置将籽晶轴和籽晶托架升至SiC溶液的低温区，通过控制感应线圈的功率，保持SiC晶体的生长温度；生长结束后，将籽晶升至液面以上，通过控制感应线圈，逐渐降低SiC溶液的温度，使之冷却，直至降至室温；

其中所述碳化硅籽晶的多型为3C、4H、6H或15R-SiC；所述碳化硅籽晶尺寸为0.4-6英寸，形状为方形、圆形或者多边形；

所述SiC溶液生成工序中，用感应线圈对坩埚进行加热时，一般控制60min内从室温快速升温至1600℃，熔化原料形成SiC溶液后，保持温度恒定至少20min，以稳定温度场并形成稳定饱和度的Si溶液；

所述回熔工序中SiC溶液液面以下的高温区为液面下10mm以下区域即可，回熔温度为1600-1800℃，回熔时间为2-30min；

所述生长工序中低温区为液面下2.5mm处，生长温度为1600-1800℃，生长时间为0.5-15h，优选为5h；晶体生长结束后，缓慢升起籽晶轴和籽晶托架，将籽晶保持在液面以上30mm处，然后在30min内将溶液温度缓慢降至1400℃，最后空冷至室温；

在生长工序中溶液中存在着温度差，SiC晶体周围存在着一定的过冷度，这样温度梯度提供了SiC晶体生长的动力。SiC晶体生长过程中，为了使溶质的分布更加均匀，一般会使坩埚和籽晶轴旋转，这可以通过保温桶轴旋转装置和籽晶轴升降旋转装置实现，同时还可以实现垂直方向的移动；籽晶轴和坩埚的旋转方向可以相同，也可以相反。旋转速度可以固定，也可以变化。

与现有的溶液法不同，配合使用籽晶托架，在溶液法生长SiC晶体的工艺中加入了回熔工序，配合籽晶托架，可以保证晶体在没有籽晶轴温度影响的情况下进行回熔，可为下一步的晶体生长提供很好的生长基础；并且此处回熔工艺采用了升降籽晶托架的方式，而非现有回熔工艺中的先升温后降温的方式，这样可以保证晶体生长温度的稳定性，避免产生过大的温度变化，从而避免产生SiC多型变化和应力。

从籽晶杆上取下生长的晶体后，晶体表面会有残余的硅覆盖。为了达到更好的品质，可以将晶体浸入HF溶液和HNO₃溶液体积比为1:2的混合溶液中，其中HF溶液质量分数为49％，HNO₃溶液质量分数为65％，去除表面的残余硅，然后去离子水超声清洗即可。

上述晶体生长过程中生长用原料可以为高纯多晶硅，也可以加入一种或者两种以上的金属及过渡元素，例如铬(Cr)、钛(Ti)、锰(Mn)、铝(Al)、钴(Co)、钒(V)等，加入金属元素提高碳在硅溶液中的溶解度，提高生长速度。

所采用的坩埚优选采用高纯度石墨坩埚，这样就不用额外添加碳源。

采用上述生长工艺获得晶体，经过X射线摇摆曲线结果表明其为高质量结晶，且在整个生长过程中不使用任何的粘合剂固定籽晶，只通过籽晶托架来承载籽晶。籽晶在晶体生长过程中，由于籽晶与籽晶托架之间存在空隙，在溶液流动的作用下，籽晶不受籽晶托架的束缚，这样可有效避免在晶体中产生应力，避免使用粘合剂时固化不均匀时造成晶体内局部应力大造成开裂、缺陷多等情况。通过使用本发明的装置和方法，可以生长出高质量的SiC晶体。

附图说明

图1为本发明所述生长装置的结构剖视图；

图2为本发明所述籽晶托架的主视图；

图3为图2的侧视图；

图4为图2的仰视图；

图5和图6为籽晶托架其他形式的俯视图；

图7为工艺实施例1制得的SiC晶体的摇摆曲线结果示意图；

图中1为保温桶，2为生长腔体，3为感应线圈，4为保温桶轴，5为保温桶轴旋转装置，6为坩埚，7为籽晶，8为籽晶托架，9为籽晶轴升降旋转装置，10为空腔，11为籽晶轴，12为石墨板，13为石墨手臂，14为开口。

具体实施方式

设备实施例1

一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体2，腔体2内设置有保温桶1，保温桶1外侧设置有感应线圈3，保温桶1内设置有坩埚6，生长腔体2上侧设置有籽晶轴升降旋转装置9，该装置下端设置有伸入坩埚6内的籽晶轴11，籽晶轴11下端连接有籽晶托架8；

其中所述的保温桶1下部连接有保温桶轴4，保温桶轴4穿出生长腔体2与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置5连接；所述的保温桶顶部的桶盖上设置有允许籽晶轴和籽晶托架通过的通孔；

所述的坩埚采用高纯石墨制成；

所述的籽晶托架8籽晶托架包括石墨板12和石墨手臂13，石墨手臂13通过碳粘合剂固定粘贴在石墨板12下方，所述的石墨板12通过碳粘合剂粘贴与籽晶轴11固定连接，石墨板为正方形；石墨手臂为L型结构；石墨手臂13下方有开口14；为了承托籽晶石墨板下设置有四个石墨手臂(如图4或图6所示)；所述开口14的高度为籽晶7厚度的2倍；所述的籽晶轴11内设置有空腔10，所述籽晶托架用碳粘合剂粘贴到籽晶轴下端。

设备实施例2

一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体2，腔体2内设置有保温桶1，保温桶1外侧设置有感应线圈3，保温桶1内设置有坩埚6，生长腔体2上侧设置有籽晶轴升降旋转装置9，该装置下端设置有伸入坩埚6内的籽晶轴11，籽晶轴11下端连接有籽晶托架8；

其中所述的保温桶1下部连接有保温桶轴4，保温桶轴4穿出生长腔体2与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置5连接；所述的保温桶顶部的桶盖上设置有允许籽晶轴和籽晶托架通过的通孔；

所述的坩埚采用陶瓷或钽制成，生长时需向坩埚加入石墨原料或者通入含C的气体来提供碳源；

所述的籽晶托架8籽晶托架包括石墨板12和石墨手臂13，石墨手臂13通过碳粘合剂固定连接在石墨板12下方，所述的石墨板12通过螺纹与籽晶轴11固定连接，石墨板为圆形；石墨手臂为方柱型结构；石墨手臂13下方有开口14；为了承托籽晶石墨板下设置有三个石墨手臂(如图5所示)；所述开口14的高度为籽晶7厚度的1.5倍；所述的籽晶轴11内设置有空腔10，所述的籽晶托架直接通过螺纹连接到籽晶轴下端。

工艺实施例1

利用设备实施例1中所述的生长设备进行生产，生长用原料原料使用高纯度的多晶Si。籽晶为有1°偏角(即生长面与(0001)面存在着1°夹角)的4H-SiC偏轴籽晶，大小为10mm×10mm，生长表面为Si面。籽晶托架的石墨板为正方形，尺寸为12mm×12mm，石墨收臂为三个，呈三角形分布，如图2-4所示；

具体工艺如下：

空烧工序，将石墨坩埚放置到保温桶内，抽生长腔体内真空至1×10^-4pa，达到预定真空后，通入高纯氩气(纯度>99.9999％)；在氩气气氛保护下快速升温至2000℃，保持3h；控制温度在半小时内缓慢冷却至1400℃，温度到达后，切断电源，空冷到室温；

SiC溶液生成工序、回熔工序和生长工序，

将清洗好的多晶硅放入空烧好的石墨坩埚中，并将籽晶安装在籽晶杆上，然后放入生长腔体内；抽生长腔体真空至1×10^-4Pa，然后通入高纯氦气至生长腔室压强大于1.013×10⁵Pa，并保持生长腔体的压强；用感应线圈对坩埚进行加热，60min内从室温快速升温至1600℃，熔化原料，形成SiC溶液后，保持温度恒定20min，以稳定温度场并形成稳定饱和度的Si溶液；

温度场稳定后，将籽晶缓慢降至溶液液面以下45mm处的高温区，并在10min内把温度缓慢升至1700℃，回熔时间为30min，以达到回熔效果；

保持温度在1700℃，之后将籽晶升至液面下2.5mm处的低温生长位置，进行晶体生长，生长时间为5h，期间保持坩埚与籽晶的逆向转动，加速溶质的传输；晶体生长结束后，缓慢拉起晶体，将晶体保持在液面以上30mm处，然后在30min内将温度缓慢降至1400℃，最后空冷至室温；

从籽晶杆上取下生长的晶体后，晶体表面会有残余的硅覆盖。将晶体浸入浸入HF溶液和HNO₃溶液体积比为1:2的混合溶液中，其中HF溶液质量分数为49％，HNO₃溶液质量分数为65％，去除表面的残余硅，然后去离子水超声清洗即可；

通过光学透过显微镜观察到生长层厚度为253μm。拉曼光谱面扫描结果为，在生长后的SiC晶体表面完全为4H-SiC多型；X射线摇摆曲线结果表明生长的SiC晶体为高质量结晶，中心HWFM值为13.9arcsec，如图7所示。

工艺实施例2

利用设备实施例1中所述的生长设备进行生产，生长用原料原料使用高纯度的多晶Si。籽晶为有1°偏角(即生长面与(0001)面存在着1°夹角)的4H-SiC偏轴籽晶，大小为13mm×13mm，生长表面为C面。籽晶托架的石墨板为方形，尺寸为14mm×14mm；

回熔时间为2min，回熔时高温区为溶液液面以下15mm处，生长时间为1h，晶体生长温度为1800℃，其他与工艺实施例1中生长方法相同，生长SiC晶体的检测结果表明，拉曼光谱面扫描结果为，在生长后的SiC晶体表面完全为4H-SiC多型，生长层厚度为60μm；X射线摇摆曲线结果表明生长的SiC晶体为高质量结晶，平均HWFM值为19arcsec。

工艺实施例3

利用设备实施例1中所述的生长设备进行生产，生长用原料原料使用高纯度的多晶Si。籽晶为正向的4H-SiC，生长晶体面为(000-1)面，直径为2.54cm，生长表面为C面。籽晶托架的石墨板为圆形，直径为2.7cm；

回熔时间为10min，回熔时高温区为溶液液面以下25mm处，生长时间为5h，其他与工艺实施例2中的生长方法相同，拉曼结果表明生长后晶体表面为4H-SiC多型，生长厚度为256μm，平均HWFM值为22arcsec。

可见由于籽晶与籽晶托架之间存在空隙，在溶液流动的作用下，籽晶不受籽晶托架的束缚，这样可有效避免在晶体中产生应力，避免使用粘合剂时固化不均匀时造成晶体内局部应力大造成开裂、缺陷多等情况。通过使用本发明的装置和方法，可以生长出高质量的SiC晶体。

Claims (7)

1.一种碳化硅晶体生长装置，该装置包括生长腔体(2)，其特征在于：腔体(2)内设置有保温桶(1)，保温桶(1)外侧设置有感应线圈(3)，保温桶(1)内设置有坩埚(6)，生长腔体(2)上侧设置有籽晶轴升降旋转装置(9)，该装置下端设置有伸入坩埚(6)内的籽晶轴(11)，籽晶轴(11)下端连接有籽晶托架(8)；

其中所述的保温桶(1)下部连接有保温桶轴(4)，保温桶轴(4)穿出生长腔体(2)与生长腔体外部的保温桶轴旋转装置(5)连接；所述的保温桶顶部的桶盖上设置有允许籽晶轴和籽晶托架通过的通孔；

所述的籽晶托架(8)籽晶托架包括石墨板(12)和石墨手臂(13)，石墨手臂(13)固定连接在石墨板(12)下方，所述的石墨板(12)通过机械连接或者通过粘合剂与籽晶轴(11)固定连接，石墨手臂(13)下方有开口(14)。

2.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于：所述的石墨板(12)为正方形或圆形；所述石墨手臂(13)为L型结构或方柱型结构。

3.根据权利要求1所述的生长装置，其特征在于：所述开口(14)的高度大于籽晶(7)的厚度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的籽晶轴(11)内设置有空腔(10)。

5.应用权利要求1所述生长装置获得碳化硅晶体的生长方法，包括如下工序：

(1)准备工序

将保温桶置于感应线圈内，将坩埚置于保温桶内，将籽晶托架用碳粘合剂粘贴到籽晶轴上，在高温下将碳粘合剂烧结或直接采用机械连接的方式将两者固定连接，并通过籽晶轴升降旋转装置将籽晶轴和籽晶托架下降到坩埚内；

(2)空烧工序

将生长腔体内通入保护气，之后开启感应线圈快速升温至2000℃，保持3h；之后控制温度在半小时内缓慢冷却至1400℃，温度到达后，切断电源，空冷到室温；

此步空烧工序目的是在高温下去除坩埚、籽晶轴及籽晶托架表面的杂质，为后续的长晶试验做准备，提高晶体的纯度；

(3)SiC溶液生成工序

将籽晶通过石墨手臂下方开口放入到籽晶托架中，同时将原料多晶硅放入到坩埚中；在生长腔体内通入氩气或者氦气，升至大于一个大气压，利用感应线圈对坩埚进行加热，将坩埚的温度升至原料多晶硅的熔点以上，形成熔融的原料；

(4)回熔工序

通过籽晶轴升降旋转装置将籽晶轴和籽晶托架下降到坩埚内SiC溶液液面以下的高温区，腐蚀晶体的表面；

(5)生长工序

通过籽晶轴升降旋转装置将籽晶轴和籽晶托架升至SiC溶液的低温区，通过控制感应线圈的功率，保持SiC晶体的生长温度；生长结束后，将籽晶升至液面以上，通过控制感应线圈，逐渐降低SiC溶液的温度，使之冷却，直至降至室温；

所述SiC溶液生成工序中，用感应线圈对坩埚进行加热时，一般控制60min内从室温快速升温至1600℃，熔化原料形成SiC溶液后，保持温度恒定至少20min，以稳定温度场并形成稳定饱和度的Si溶液；

所述回熔工序中SiC溶液液面以下的高温区为液面下10mm以下区域，回熔温度为1600-1800℃，回熔时间为2-30min；

所述生长工序中低温区为液面下2.5mm处，生长温度为1600-1800℃，生长时间为0.5-15h；晶体生长结束后，缓慢升起籽晶轴和籽晶托架，将籽晶保持在液面以上30mm处，然后在30min内将溶液温度缓慢降至1400℃，最后空冷至室温。

6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述碳化硅籽晶的多型为3C、4H、6H或15R-SiC；所述碳化硅籽晶尺寸为0.4-6英寸，形状为方形或圆形或者多边形。

7.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述生长工序中晶体生长时间为5h。