CN105671638B - 一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，它包括：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。本发明的制备方法，减小了大直径尺寸SiC衬底中内应力进而提高了大直径尺寸SiC衬底质量。相对现有技术简单易行并相对传统扩径方法能够实现SiC衬底直径的快速增加，效率高，且成功率高。

Description

一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术：

作为第三代宽带隙半导体材料的一员，相对于常见Si和GaAs等半导体材料，SiC材料具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高，热导率高、临界击穿场强高等诸多优异的性质；基于这些优良特性，SiC材料是制备高温电子器件、高频大功率器件更为理想的材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。在光电子领域，相对传统衬底材料Si与蓝宝石，SiC与GaN材料晶格及热适配更小，用SiC衬底制作的LED性能远优于蓝宝石衬底，科锐公司利用SiC衬底制作的LED其发光效率达到254lm/w。

籽晶升华法是目前制备SiC衬底的主要方法。在典型的籽晶升华法中，籽晶和源粉二者均被放置在加热到源粉能够升华温度的坩埚中，且在源粉和温度较低的籽晶之间产生温度梯度，该温度梯度促进了物质从源粉到籽晶的气相移动，随后源粉升华的物质在籽晶上凝结从而导致晶体的生长；此方法也被成为物理气相传输法。目前已经使用物理气相传输法制备出3-4英寸SiC衬底，且已经广泛用于制备各种器件。

制备各种SiC器件均需要在SiC衬底上进行外延生长，大直径的SiC衬底能够迅速提高外延效率，降低成本。目前的籽晶升华法只能制备与籽晶尺寸相同或稍大的SiC衬底。

为获取大直径尺寸SiC衬底，使用小直径SiC衬底制备大于籽晶尺寸的衬底的方法已经进行多种研究。研究发现，沿着晶体半径方向的径向温度梯度是晶体生长过程中晶体直径增大的驱动力，为获取大直径尺寸衬底，需要较大的径向温度梯度，但是，较大的径向温度梯度会在单晶内部引入较大的内应力甚至导致晶体开裂，并引入大量缺陷从而导致质量下降。具体参见文献《Kato T,Miura T,Nagai I,et al.Enlargement Growth of Large4H-SiC Bulk Single Crystal[C]//Materials Science Forum.2011,679:3-7.》。因此，通过该方法可以获取大直径尺寸SiC衬底，但效率低下，且成功率较低，大大限制了大直径尺寸的SiC衬底的制备。如何快速获取大直径尺寸SiC衬底迫在眉睫。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，利用制得的大直径尺寸SiC籽晶能快速制备出大直径尺寸SiC衬底。

术语解释：

大直径尺寸：在本发明中指尺寸大于等于150mm的籽晶或衬底。

标准直径SiC籽晶：在半导体行业中，直径为2inch、3inch、100mm、150mm的籽晶为标准直径SiC籽晶。

密排拼接：在一平面上籽晶层由小直径籽晶紧密排列连接，相邻小直径籽晶之间的拼接面为与籽晶托底部呈平行的平面。

发明概述：

本发明通过利用多个标准小直径籽晶，进行切割拼接制作或者双层拼接，并通过抛光和退火过程制备出完整的大直径籽晶，然后用该大直径籽晶制备大于籽晶尺寸的大直径尺寸衬底。

发明详述：

一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，步骤如下：

(1)选择多个标准小直径SiC籽晶，将小直径SiC籽晶进行修整切割；

(2)将修整切割后的小直径SiC籽晶，采用密排拼接方式粘结固定在籽晶托上，形成第一层籽晶，并使密排拼接得到的形状与目标大直径尺寸SiC籽晶的形状一致；

(3)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；

(4)将步骤(3)得到的双层拼接排列籽晶进行抛光，使得第二层籽晶与第一层籽晶厚度差减小并去除损伤层；

(5)将步骤(4)处理得到的籽晶进行退火，促进侧向生长，制得完整的大直径尺寸SiC籽晶。

本发明优选的，步骤(1)中，标准小直径SiC籽晶形状为圆形，尺寸选用直径为2inch、3inch或100mm。

本发明优选的，步骤(1)中，小直径SiC籽晶修整切割出的形状为正方形、方形、三角形或者其他便于密排拼接的任意形状。

进一步优选的，小直径SiC籽晶修整切割出的形状为正方形，该正方形内切于标准小直径SiC籽晶的圆形。切割出的该形状大大减少了小直径SiC籽晶的浪费，并使拼接密排，减小拼接之间的缝隙。

本发明优选的，步骤(1)中，所述的SiC为4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R-SiC；所述的SiC导电类型为N型、P型或半绝缘。

本发明优选的，步骤(1)中，小直径SiC籽晶为片状衬底，SiC籽晶厚度差小于20μm，优选的，SiC籽晶厚度差小于5μm。

本发明优选的，步骤(1)中，修整切割后的小直径SiC籽晶的端面与表面的外法线夹角为45°～135°。

根据本发明优选的，为了提高获得的大直径籽晶的质量及均匀性，步骤(2)的密排拼接方式中，各个籽晶间的<11-20>及<0001>晶向偏差在0-30°之间，密排拼接时籽晶之间取向一致。

优选的，各个籽晶间的<11-20>及<0001>晶向偏差在0-5°之间，最为优选的，各个籽晶间的<11-20>及<0001>晶向偏差在0-1°之间。

步骤(2)中密排拼接制备SiC籽晶，由于各个SiC籽晶端面间间隙不可避免。根据生长理论大高宽比的缝隙有利于籽晶升华法中横向的生长的进行，缩短缝隙的填充时间，避免多晶成核生长，进而提高大直径衬底的质量。在本发明中步骤(2)中各个籽晶密排过程中籽晶相邻端面的缝隙宽度在0-3mm之间；优选的，籽晶相邻端面的缝隙宽度小于1mm。

本发明优选的，步骤(3)中，第二层籽晶为4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R-SiC晶型，与第一层SiC衬底晶型一致；所述的SiC导电类型为N型、P型或半绝缘，与第一层SiC衬底电学类型一致；第二层籽晶所涉及到的小籽晶厚度差距小于20um，优化的厚度差距小于5um；各个SiC籽晶结晶学取向中<11-20>及<0001>晶向偏差在0-10°之间；进一步优选的在0-1°之间。

本发明优选的，步骤(4)中，抛光后，第二层籽晶与第一层籽晶厚度差小于等于200μm，并且双层拼接排列籽晶表面无损伤层。

优选的，第二层籽晶与第一层籽晶厚度差小于等于100μm。

本发明优选的，步骤(5)中，退火的温度控制在1500-1800℃，压力高于800mbar。

优选的，退火的温度控制在1700-1800℃，退火压力为850-950mbar。

本发明优选的，步骤(5)中，退火升温速率为20-50℃/h，恒温时间为5-10h。

优选的，退火升温速率为20-30℃/h。

利用上述制得的大直径尺寸SiC籽晶生长大直径尺寸SiC衬底的方法，步骤如下：

将制得的大直径尺寸SiC籽晶固定在坩埚顶部，坩埚底部放置源粉，采用籽晶升华法进行生长，获得大直径尺寸SiC衬底。

本发明的籽晶升华法生长晶体所需要的条件参数，如温度、压力均为现有技术，具体方法参照中国专利文献CN1554808A(200310114637.5)。

传统的籽晶升华法只能制备与籽晶尺寸接近的衬底。而本发明的方法制备的籽晶可以实现150mm及任何直径晶体的生长；

采用本发明大直径尺寸SiC籽晶可制得直径为150-600mm大直径尺寸SiC衬底；该衬底可为N型、P型或半绝缘衬底。

本发明针对籽晶尺寸限制大直径SiC衬底制备的特点，通过利用小直径SiC衬底切割后拼接制备大直径籽晶，并利用抛光和退火过程促进侧向生长，实现大直径尺寸SiC衬底的制备。

本发明的优良效果：

1.本发明的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，采用标准小直径籽晶，进行切割拼接制作或者双层拼接，并通过抛光和退火过程制备出完整的大直径籽晶，可由小直径籽晶在小的径向温度梯度下采用籽晶升华法制备，减小了大直径尺寸SiC衬底中内应力进而提高了大直径尺寸SiC衬底质量。

2.采用本发明的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，相对现有技术简单易行并相对传统扩径方法能够实现SiC衬底直径的快速增加，效率高，且成功率高。

附图说明：

图1为本发明实施例1使用的标准小直径SiC籽晶切割前及切割线示意图；

图2为本发明实施例1采用修整切割后的小籽晶拼接150mmSiC籽晶示意图；

图3为采用本发明实施例1制得的大直径尺寸SiC籽晶制备出的150mmSiC衬底材料照片。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，步骤如下：

(1)选择多个标准小直径SiC籽晶，将小直径SiC籽晶进行修整切割；如：使用4片表面取向均为c轴正向的直径为100mm的4H-SiC籽晶(如图1)，沿着籽晶内接正方形对籽晶进行切割(切割线在图1中使用点状线进行表示)；将4个正方形部分按照图1所示虚线部分进行切割，切割后获得边长为70.2mm的4个正方形小籽晶，将4个正方形小籽晶截去一角，得修整切割后的小直径SiC籽晶；

(2)将修整切割后的小直径SiC籽晶，采用密排拼接方式粘结固定在籽晶托上，形成第一层籽晶，并使密排拼接得到的形状与目标大直径尺寸SiC籽晶的形状一致；

将4个正方形小籽晶使用胶水粘接或者其他方式固定在150mm籽晶托上(如图2灰色所示)，粘结方式图2黑色实线所示，籽晶之间取向一致，缝隙为0.5mm。粘结完成后，籽晶覆盖了接近140.4mm范围。

使用1片表面取向均为c轴正向的直径为100mm的4H-SiC衬底，切割出两个长75mm，宽15mm的矩形(图2中，黑色虚线部分)。长边平行于<11-20>，短边平行<1-100>。

使用1片表面取向均为c轴正向的直径为100mm的4H-SiC衬底，切割出两个长67.5mm，宽15mm的矩形(图2中，黑色点状线部分)。短边平行于<11-20>，长边平行于<1-100>。

(3)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，将这4长条状(如图2)粘结在第一层籽晶的间隙上方，形成双层拼接排列籽晶；

(4)将步骤(3)得到的双层拼接排列籽晶进行抛光，使得第二层籽晶与第一层籽晶厚度差小于等于100μm，并且双层拼接排列籽晶表面无损伤层。

(5)将步骤(4)处理得到的籽晶进行退火，退火的温度控制在1780℃，压力为900mbar。退火过程升温速率35°/h，恒温时间8h。退火完毕后，拼接籽晶的切面完成侧向生长，并形成一个完整的大籽晶。

将制得的大直径尺寸SiC籽晶固定在坩埚顶部，坩埚底部放置源粉，采用籽晶升华法进行生长，获得大直径尺寸SiC衬底，进行切割后获得150mmSiC衬底材料，如图3示。

实施例2

一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，步骤如下：

(1)选择多个标准小直径6H-SiC籽晶，标准小直径SiC籽晶形状为圆形，小直径SiC籽晶进行修整切割，直径SiC籽晶修整切割出的形状为正方形，该正方形内切于标准小直径SiC籽晶的圆形，小直径SiC籽晶为片状衬底，6H-SiC籽晶厚度差小于5μm；整切割后的小直径SiC籽晶的端面与表面的外法线夹角为45°。

(2)将修整切割后的小直径6H-SiC籽晶，采用密排拼接方式粘结固定在籽晶托上，形成第一层籽晶，密排拼接时籽晶之间取向一致，并使密排拼接得到的形状与目标大直径尺寸SiC籽晶的形状一致；各个籽晶间的<11-20>及<0001>晶向偏差在1°。各个籽晶密排过程中籽晶相邻端面的缝隙宽度小于1mm。

(3)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，第二层籽晶为6H-SiC；所述的SiC导电类型为N型、P型或半绝缘，与第一层SiC衬底电学类型一致；6H-SiC籽晶厚度差小于5μm；各个籽晶间的<11-20>及<0001>晶向偏差在1°

(4)将步骤(3)得到的双层拼接排列籽晶进行抛光，使得第二层籽晶与第一层籽晶厚度差小于等于100μm，并且双层拼接排列籽晶表面无损伤层。

(5)将步骤(4)处理得到的籽晶进行退火，退火的温度控制在1780℃，压力为880mbar。退火过程升温速率35°/h，恒温时间10h。退火完毕后，拼接籽晶的切面完成侧向生长，并形成一个完整的大籽晶。

Claims (10)

1.一种大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，步骤如下：

（1）选择多个标准小直径SiC籽晶，将小直径SiC籽晶进行修整切割；

（2）将修整切割后的小直径SiC籽晶，采用密排拼接方式粘结固定在籽晶托上，形成第一层籽晶，并使密排拼接得到的形状与目标大直径尺寸SiC籽晶的形状一致；

（3）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；

（4）将步骤（3）得到的双层拼接排列籽晶进行抛光，使得第二层籽晶与第一层籽晶厚度差减小并去除损伤层；

（5）将步骤（4）处理得到的籽晶进行退火，促进侧向生长，制得完整的大直径尺寸SiC籽晶。

2.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中， 标准小直径SiC籽晶形状为圆形，尺寸选用直径为2inch、3inch或100mm；小直径SiC籽晶修整切割出的形状为正方形、方形或者三角形。

3.根据权利要求2所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，小直径SiC籽晶修整切割出的形状为正方形，该正方形内切于标准小直径SiC籽晶的圆形。

4.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的SiC为4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R-SiC；所述的SiC导电类型为N型、P型或半绝缘； 小直径SiC籽晶为片状衬底，SiC籽晶厚度差小于20μm； 修整切割后的小直径SiC籽晶的端面与表面的外法线夹角为45°～135°。

5.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，步骤（2）的密排拼接方式中，各个籽晶间的<11-20>及<0001>晶向偏差在0-30°之间，密排拼接时籽晶之间取向一致。

6.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，各个籽晶密排过程中籽晶相邻端面的缝隙宽度在0-3mm之间。

7.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，步骤（3）中， 第二层籽晶为4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC或15R-SiC晶型，与第一层SiC衬底晶型一致；所述的SiC导电类型为N型、P型或半绝缘，与第一层SiC衬底电学类型一致；第二层籽晶所涉及到的小籽晶厚度差距小于20um；各个SiC籽晶结晶学取向中<11-20>及 <0001>晶向偏差在0-10°之间。

8.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，步骤（4）中， 抛光后，第二层籽晶与第一层籽晶厚度差小于等于100μm，并且双层拼接排列籽晶表面无损伤层。

9.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，退火的温度控制在1700-1800℃， 退火压力为850-950mbar。

10.根据权利要求1所述的大直径尺寸SiC籽晶的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，退火升温速率为20-50℃/h，恒温时间为5-10h。